一种用于热管理的多功能纤维素/碳复合气凝胶材料

来源 | Materials Today Communications

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背景介绍

气凝胶具有密度小、孔隙率高、导热系数低等特点，是一种理想的保温材料。环境与资源的矛盾也要求利用可再生资源开发气凝胶。纤维素基气凝胶除了具有传统气凝胶的优点外，还具有生物相容性、环境友好性和可生物降解性，是最丰富的天然可再生资源，是一种受欢迎的可持续保温材料。尽管许多研究取得了令人满意的结果，但提高纤维素基气凝胶的机械强度、热稳定性和多功能性仍然是一个挑战。对不同制备方法的纤维素气凝胶进行了一些研究报道，但在上述研究中，纤维素气凝胶的功能仅限于保温，而纤维素固有的低导电性限制了其作为多功能气凝胶的应用。作为另一种重要的气凝胶材料，碳基气凝胶可以抑制骨架和孔隙中固体和气体的热传导，减少辐射传热，使其具有超低密度、高热稳定性和良好的导电性。但热管理性能，包括焦耳加热和光热性能，在这些工作中很少讨论。

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成果掠影

近期，大连理工大学王海针对用于热管理的可再生的气凝胶多功能材料取得最新进展。近期，大连理工大学王海针对用于热管理的可再生的气凝胶多功能材料取得最新进展。该文将羧化纤维素纳米纤维(CCNF)与碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)或碳纤维(CF)通过定向冷冻法制备了一系列纤维素和纳米碳复合气凝胶。双向冷冻的CCNF/纳米碳气凝胶由于水平和垂直温度梯度诱导的桥结构而表现出更高的抗压强度。同时，双向冷冻的CCNF/碳气凝胶的导热系数也低至0.0308 W/(mK)；煅烧后增大至0.0388 W/(mK)。CCNF基质中分散的线性碳材料CF和碳纳米管导致了CCNF/纳米碳气凝胶的热电、焦耳加热和光热性能，煅烧也促进了这些性能。CCNF/纳米碳气凝胶的Seebeck系数为0.027 ~ 0.067 mV/K，高温处理后形成的碳网更加均匀，Seebeck系数为0.037 ~ 0.044 mV/K。5 ~ 15 V的输入电压可使复合气凝胶煅烧后温度升高62 ~ 303℃。功率为0.3 W的激光可以使复合气凝胶在几秒钟内快速升温至200℃。这些类型的CCNF/纳米碳基复合气凝胶具有良好的热管理能力，包括隔热、热电、电和光感应加热，是多功能气凝胶的良好候选材料。研究成果以“Cellulose/Nanocarbon Composite based Multifunctional Aerogels for Thermal Management”为题发表于《Materials Today Communications》。

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图文导读

图1.单向和双向冻结示意图。

图2. (a-i) CCNF/碳纳米材料气凝胶的数字图像和(m和n) CCNF/碳纳米材料气凝胶煅烧后的气凝胶。

图3. CCNF/碳纳米材料气凝胶的SEM图像。

图4. 气凝胶的力学性能。

图5. ΔT-stable的CCNF/碳纳米材料气凝胶在200℃。

图6. 碳气凝胶在100℃，150℃和200℃下的ΔT-stable。

图7. (a-c) C15T2-B， (d-f) C15T2-B- cal气凝胶在5V、10 V和15V电压下的热红外图像，(g-i) C15F2-B-Cal在5V、10 V和15V电压下的热红外图像。

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