北京科技大学黄秀兵教授: 具有集成隔热和导热功能的碳纳米管/聚酰胺酸双层支撑复合相变材料

具有集成隔热和导热功能的碳纳米管/聚酰胺酸双层支撑复合相变材料

题目：Carbon Nanotube/Polyamic Acid Bilayer‐Supported Composite Phase‐Change Materials With Integrated Insulation and Thermal Conductivity Functions

作者：Yingying Tian, Nannan Zheng, Zui Tao, Jun Tong, Tiantian Yuan, Xiubing Huang

DOI:10.1002/cnl2.70040

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70040

第一作者：田盈盈

通讯作者：黄秀兵

单位：北京科技大学

研究背景

在全球碳中和战略推进与能源危机加剧的背景下，高效能源利用及先进热管理技术成为关键研究方向。能源作为社会发展基石，其短缺与污染问题随工业化、人口增长日益凸显，开发可再生能源、升级储能技术及优化热管理系统迫在眉睫。相变材料（PCMs）凭借可逆热能储存与释放特性，在建筑节能、电子设备热控等领域潜力显著，却受限于三大核心问题：热导率低导致传热效率差，固 - 液相变时易泄漏，储能密度不足，难以满足高要求应用场景。为突破上述瓶颈，科研人员采用多孔材料封装 PCMs，现有载体分两类：高导热碳基材料（如碳气凝胶、碳纳米管）可提升热传导效率，适用于快速散热场景；隔热型材料（如聚酰亚胺气凝胶）能抑制热传递，适用于保温场景。但新兴工程场景（户外电力设备、军事红外隐身等）需 “自适应热管理”，要求材料兼具高温导热散热、低温隔热保温及高效储能能力，当前单层功能材料难以满足此动态需求。因此，打造集高导热、隔热、蓄热于一体的复合PCMs（CPCMs）具有重要的研究意义，该CPCMs能够实现多场景下的有效温度控制，未来具有很大的应用前景。

聚酰亚胺（PI）气凝胶因优异机械强度、耐高温性成理想载体基材，却存在碳化易收缩、结构稳定性差的问题，需添加纳米填料优化。碳纳米管（CNTs）可提升热导率与骨架稳定性，羧甲基纤维素（CMC）能抑制气凝胶冻干收缩、保障多孔结构完整。在此背景下，开发结合碳化聚酰亚胺 / CNTs 导热层与聚酰胺酸盐 / CMC 隔热层的双层CPCMs，实现 “导热-隔热-储热” 一体化，成为解决传统 PCMs 局限、拓展应用场景的关键，对推动热管理与红外隐身技术发展意义重大。

成果介绍

北京科技大学黄秀兵教授团队通过隔热层和导热层的物理集成，成功开发了具有隔热-导热-储热功能一体化的复合相变材料（CPCMs）。其中，结构稳定的碳化聚酰亚胺（C-PI）/碳纳米管（CNTs）气凝胶充当导热层骨架，聚酰胺酸盐（PAS）/羧甲基纤维素（CMC）复合气凝胶用于隔热层。然后，将聚乙二醇（PEG）真空浸渍到集成气凝胶中，制备出具有集成隔热、导热和储热功能的CPCMs。当CNTs与PAS的质量比为2时，焓达到160.3 J/g，PEG负载量达到95.56%，在储能和转换领域显示出巨大的应用潜力。热层的高导热系数（0.433 W/m·K）与保温层的蓄热相结合，使CPCM具有多种场景下的热管理能力。一体化材料实现了双重功能的完美结合，为功率器件的热管理提供了新的解决方案。该成果以“Carbon Nanotube/Polyamic Acid Bilayer-Supported Composite Phase-Change Materials With Integrated Insulation and Thermal Conductivity Functions”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、创新双层结构设计，实现 “导热 - 隔热 - 储热” 三位一体。

2、最优配方下，PEG负载率高达 95.56%，焓值为 160.3 J/g，导热层导热系数提升至 0.433 W/m・K，储热与导热性能优异。

3、该双层CPCM经 100 次热循环后焓值稳定、化学结构无变化，20 次光热循环后性能依旧，且高温下无泄漏，循环稳定性与使用可靠性强。

4、CPCM借助碳纳米管的光捕获能力，光热转换效率最高达 95.59%，同时能隐藏目标红外热信号，兼具高效光热转换与红外隐身特性。

本文要点

要点一

单层气凝胶和复合相变材料的形态与结构

图1：单层气凝胶及相连处和复合相变材料的微观形貌。

图1(a)展示了PAS/CMC气凝胶独特的片状形态吗，类似于植物叶片。图1(e-h)展示了不同CNTs添加量的C-PI/CNTs气凝胶，可以看出随着CNTs的增加，孔隙结构先变得规则又逐渐混乱。图1(b)和图1(i-l)为CPCMs的微观形貌，从中可以清楚地观察到PEG完全浸渍并均匀分散在气凝胶的骨架中。图1(m-p)为双层气凝胶界面处的微观形貌，可以看出两层气凝胶相互交织，结构互锁，赋予隔热导热一体气凝胶较高的机械强度。图1(c、d)展示了单层气凝胶可轻松被狗尾草顶起，说明其轻质、孔隙率高的特点。

图2：单层气凝胶及复合相变材料的XRD图。

图2(a-c)为单层气凝胶在酰胺化及碳化前后的XRD图，PAS/CNTs-x气凝胶的衍射峰出现在25°和43°左右，对应于CNTs的（002）和（100）晶面。酰胺化后，气凝胶在25°和43°左右保留了显著的衍射特征，说明在化学改性过程中晶体结构并没有发生改变。碳化后，CNTs对应的两个衍射峰仍然存在，并且峰值随CNTs增强，说明碳化过程中CNTs和PI之间的相互作用增强，导致晶体结构的有序增加。图2(d)显示CPCMs的衍射峰与纯PEG的衍射峰相似，这表明PEG在复合材料中仍保持其原始晶体结构。

图3：单层气凝胶及复合相变材料的FT-IR图。

图3展示了单层气凝胶及其CPCMs的红外图。 PAS系列气凝胶红外光谱的3726和3433 cm-1附近的峰与羟基（-OH）拉伸振动有关，1633 cm-1处的峰对应于酰胺键中的羰基（C=O）拉伸振动，1497和1386 cm-1处的峰与亚甲基（CH₂）的弯曲振动有关，1038 cm-1附近的峰可能来自C-O键的拉伸振动，而 705、567 和 490 cm-1 处的峰对应于碳 - 碳单键（C-C）的振动。酰胺化后，PI/CNTs气凝胶的特征峰发生了显著变化。这主要是由于亚胺化过程中酰胺键的转变，导致相关官能团的振动模式发生变化。碳化后，红外光谱中有机官能团对应的特征峰几乎完全消失，这是由于高温碳化过程中有机官能团的热解或转化。CPCMs的FT-IR光谱与纯PEG的峰相似，表明PEG在复合材料中保持了其原始官能团结构。

要点二

CPCMs的热力学性能

图4：CPCMs的DSC曲线、负载率、焓值及循环过程。

图4(a、b)所示的DSC曲线描绘了CPCMs加热和冷却过程中相变峰的形貌，分别对应于样品的固-液相变和液-固相变过程。与纯PEG的DSC曲线进行比较，可以观察到所有CPCMs样品在加热和冷却曲线上都表现出相似的峰值特征。图4(c，d)展示了从DSC测试中获得的PCM负载和焓数据。其中，PEG/C-PI/CNTs-2样品的负载率高达95.56%，焓值高达160.30J/g。图4(e、f)为PEG/C-PI/CNTs-2的100次加热和冷却循环，熔化和结晶曲线仍然保持稳定，表明PEG/C-PI/CNTs-2具有出色的热循环稳定性。

图5：PEG和CPCMs的DTG和TG曲线以及熔点和泄漏测试图像。

图5(a、b)展示了PEG和CPCMs的热重降解过程，当PEG与C-PI/CNTs复合时，复合材料的热稳定性得到了一定的提高，C-PI/CNTs作为一种高热稳定性的纳米材料，能够在高温下保持结构完整性，从而在一定程度上抑制PEG的热降解。图5(c、d)显示了PEG和CPCMs的熔点和泄露测试过程。基于气凝胶的CPCMs在加热过程中表现出优异的形状稳定性。即使加热到远高于其熔点的温度，CPCMs 也能保持其初始形式。

要点三

CPCMs的光热转换行为

图6：（a）光热转换率测试示意图。（b、c）PEG和CPCMs的光热转换曲线和效率。（d）PEG/C-PI/CNTs-2在20个循环前后的FT-IR图像。

图6(a-c)为CPCMs在模拟太阳光下的光热转换测试。可以看出，随着CNTs含量的增加，CPCMs的光热转换效率不断提高，PEG/C-PI/CNTs-3的光热转换率高达95.59%。图6d为PEG/C-PI/CNTs-2在模拟太阳照射和室温降温连续20次前后的红外图，可以看出其主要特征峰保持不变，进一步证实了样品优异的光热循环稳定性。

要点四

CPCMs的导热性能

图7：PEG和单层CPCM的红外热成像图像和导热系数。

图7(a、b)展示了PEG和单层CPCMs在热板上的温度变化以及导热系数。可以看出PEG/PAS/CMC复合材料具有优异的隔热性能，而C-PI/CNTs的引入显著提高了CPCMs的导热系数，使材料能够更快地响应外部热源。这一现象对于提高CPCMs在热能存储和温度调节方面的应用性能具有重要意义。

要点五

CPCMs的应用

图8：隔热导热一体化相变材料的红外热成像图像及PEG/PAS/CMC@PEG/C-PI/CNTs-2在人体和电子设备上温控效果的红外热成像。

图8(a、b)为双层材料在热板上的温度变化过程，可以看出，导热层能够快速响应和导热，确保功率器件在高效运行过程中产生的热量得到及时分散，避免过热。保温层可以有效防止热量向外部环境传递，保持设备内部温度的稳定，提高设备的效率和可靠性。图8(c、d)展示了双层CPCMs在红外热伪装中的实际应用，可以看出手指的热信号在冷背景下被成功隐藏。这种现象在手机中得到了进一步的体现，使红外热成像系统几乎无法检测到它们。

本文小结

本研究通过冷冻干燥和真空浸渍，成功制备了集隔热和导热于一体的PEG/PAS/CMC@PEG/C-PI/CNTs-x，将碳化的PI/CNTs作为导热层气凝胶与PAS/CMC复合材料作为隔热层气凝胶巧妙地结合在一起。优化后的PEG/C-PI/CNTs-2具有高达95.56%的PEG负载率和90.81%的纯PEG储能密度，在能量存储和转换领域具有巨大的应用潜力。导热层的高导热系数（0.433 W/m·K）和保温层的储热能力使CPCMs具有多种场景下的热管理能力。此外，在55 ℃的热源下，它仍然能够稳定地保持44 ℃左右的外部温度，具有优异的热稳定性和绝缘性。这项工作克服了传统PCMs的局限性，为热管理技术和红外热隐身应用提供了新的思路。

作者介绍

第一作者

田盈盈

北京科技大学材料科学与工程学院硕士研究生，导师黄秀兵教授。主要从事碳基多孔复合相变材料的制备及其热性能研究。

通讯作者

黄秀兵

北京科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。从事纳米复合材料的定向设计、可控合成、性质调控及其在催化有机合成与相变储能领域的应用基础研究。已发表SCI收录学术论文160余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Coord. Chem. Rev.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI收录学术论文120余篇。先后主持国家自然科学基金、JKW项目、国家级外专项目、教育部“春晖计划”合作科研项目、北京市优秀人才培养资助项目、中央高校基本科研业务费、企业委托横向课题等10余项科研项目，作为项目骨干参与了国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金重大项目、“十三五”装备预研基金等多项科研项目。担任Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、JACS等70余种国内外SCI期刊审稿人。

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期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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期刊编辑部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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