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广工闵永刚/黄锦涛团队 ACHM:用于集成热管理和电磁波吸收的高性能聚酰亚胺/聚吡咯-碳纳米管@PCM复合材料
2025-01-10  来源:高分子科技

  随着电子设备的不断更新迭代,电子器件正逐渐朝着小型化和集成化方向发展。然而,由此产生的电磁波污染不仅会影响设备的正常运行,还会威胁人类健康。目前,电磁波吸收(Electromagnetic wave absorption, EWA)材料通过吸收电磁波来减轻或减弱电磁辐射及干扰。这是消除电磁污染的一种有效方法,并且已成为当前的研究和应用热点之一。不过,在吸收电磁波的过程中,EWA材料会产生大量热量,而这些废热无法及时传递到电子设备外部,从而导致电子设备性能下降甚至出现故障。因此,研发兼具EWA和热能存储功能的材料迫在眉睫从可控制备孔结构出发,加载聚吡咯-碳纳米管的聚合物多孔材料,可以成功地构建质轻的导电网络、提高热能转换效率,并储存大量的相变材料(Phase change material, PCM,实现集成热管理和卓越电磁波吸收性能。


  近日,广东工业大学闵永刚/黄锦涛团队将聚合物多孔材料和PCM结合并制备了一种具有热管理和电磁波吸收的复合材料。在这项研究中,作者首先合成了聚吡咯纳米管用作导电填料,再以二胺和二酐制备聚酰胺酸,经过冷冻干燥和热处理,构建聚酰亚胺/聚吡咯-碳纳米管多孔支架(PI/PPy-CNTs,以聚乙二醇(PEG)为相变热管理材料,通过真空浸渍制备具有形状稳定性的复合材料PCPCCs(图1


1 聚酰亚胺/聚吡咯-碳纳米管@PCM复合材料的制备流程


  通过样品的热重分析(TGA)曲线如图2a)所示,PCPCCs具有良好的热稳定性,满足充放热应用的要求。通过一系列的加热-冷却循环测试,对其热可靠性进行了全面评估。如图2b~d)所示,经过300次循环后得到的差示扫描量热(DSC)曲线几乎完全一致。而且,相变焓和相变温度的变化极小。初始相对焓效率有99.7%循环后仅下降了1.4%,彰显了其出色的储能稳定性。这些结果证实了其适用于长期的热能储存和管理应用。


2 PCPCCs的热稳定性和可靠性


  如图3a)所示,PCPCCs的热导率提高至0.72 W/(m·K),相较于PEG提高了2.3倍。开展模拟光热转换实验,如图3b~f)所示。测试不同材料在整个光谱范围内的吸光度情况,加入PPy-CNTs后的PCPCCs具有最高吸光度,有望提高其光热转换效率。进一步地发现,PCPCCs展现出快速的降温响应,更长的相变平台。而且,实现了高达92.9%的光热转换效率。因此,这些结果表明,PCPCCs具备较高的热导率和光热转换效率,使其在热能管理应用中非常有效。


3 PCPCCs的热管理性能


  其中,通过改变PPy-CNTs含量,PCPCCs可实现最小反射损耗为?42 dB。利用计算机仿真技术(CST),PCPCCs最小雷达散射截面值低至?42 dB m2显示其增强了衰减电磁信号的能力。因此,得益于多重反射、传导损耗机制以及良好阻抗匹配的协同作用,PCPCCs具备了优异的微波吸收性能。


4 PCPCCs的吸波性能


  综上所述,该高性能聚酰亚胺/聚吡咯-碳纳米管@PCM复合材料可应用于集成热管理和电磁波吸收一体化等领域。相关研究成果在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上在线发表,广东工业大学为唯一单位,2023级材料科学与工程专业博士生曹琰为该工作第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委和安徽省重点研究和开发计划的支持。


  论文信息:

  Yan Cao, Zhaozhang Zhao, Xinfei Zeng, et al. High-performance Polyimide/Polypyrrole-CNTs@PEG composites for integrated thermal management and enhanced electromagnetic wave absorption [J]. Advanced Composites and Hybrid Materials8: 104 (2025). IF=23.2.

  论文链接:https://doi.org/10.1007/s42114-024-01202-z


作者介绍


曹琰,广东工业大学2023级在读博士。主要研究领域包括石墨导热材料、碳电极材料、高分子管状碳纳米材料等先进功能材料。


黄锦涛,广东工业大学副教授。中国创新创业大赛评审专家,中国汽车工业协会团体标准评审专家,广东省级工程中心认定评审专家,广东省大学生材料创新大赛评审专家,广东高校科技成果转化中心专家。在SmallBiosensors and BioelectronicsChemical Engineering JournalEnergyComposites Part AComposites Part B等期刊发表SCI论文60余篇,其中第一/通讯作者论文40余篇,高被引/热点论文7/5篇,论文被引用2800余次,H因子32;在Wiley等出版社以第一/通讯作者合著书籍章节3部,专利10余件。参与项目10余项,其中主持7项。


闵永刚,广东工业大学教授,美国宾夕法尼亚大学博士,国家杰出青年科学基金获得者。师从于2000年诺贝尔化学奖获得者Alan G. MacDiarmid教授。拥有二十多年国际工作经历,先后在多家世界500强企业和美国著名学府担任过多种技术职位,如:美国杜邦、IBM、英国帝国化学公司(威克斯)、法国圣戈班、美国宾西法尼亚大学、和俄亥俄州立大学等。致力于研究有机光电功能材料与器件(功能高分子材料、有机发光二极管、钙钛矿型太阳能电池),多维功能化石墨烯复合材料与应用,高性能聚合物材料的合成与加工,节能环保和PM 2.5等。主持过多项美国国家标准局项目、美国国防部项目、美国国家科学基金项目、及中国国家基金项目,总项目经费达数十亿元。多次获得美国国防部和美国制造协会科技成果奖、美国公司突出贡献奖等。申报了一百余项中国和国际专利(其中四十多项已获授权),科技文章一百余篇(总引用指数:>2000H-index为 22)。

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(责任编辑:xu)
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