這項(xiàng)工作報告了新型印刷單壁碳納米管(SWCNT)電熱焦耳加熱裝置的設(shè)計和制造。該器件直接沉積在單向(UD)玻璃纖維(GF)織物上。GF-SWCNT焦耳加熱器在制造過程中作為“系統(tǒng)”層集成在碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合層壓板中。復(fù)合層壓板被賦予了特殊輔助功能，從而具有多功能特性。使用包含頂部/底部GF-SWCNT 系統(tǒng)層的夾層結(jié)構(gòu)證明了CFRP層壓板的有效的爐外固化 (OOC)。熱固性基體的高效聚合所需要的總功耗約為10.5 kWh。紅外熱成像儀(IR-T)監(jiān)測顯示，環(huán)氧樹脂浸漬前后溫度場均勻穩(wěn)定。準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲和動態(tài)力學(xué)分析(DMA)顯示，與烘箱固化的CFRP相比，OOC-CFRP層壓板的性能有輕微的擊倒效應(yīng)，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)幾乎相同。OOC-CFRP 層壓板在提供附加功能方面非常有效，例如在能源和運(yùn)輸部門（即風(fēng)力渦輪機(jī)葉片或飛機(jī)機(jī)翼）中備受追捧的除冰和自感應(yīng)功能。新穎的模塊化設(shè)計通過多個互連的印刷設(shè)備陣列為大面積應(yīng)用提供了獨(dú)特的機(jī)會。
Figure 1.系統(tǒng)層的制造：（a）GF織物上的乙烯基膠帶掩模，用于掩模輔助刮刀涂層印刷工藝，在去除后產(chǎn)生電阻器/印刷圖案，以及（b）工藝示意圖和最終設(shè)備的照片。
Figure 2.復(fù)合材料層壓和通過真空袋技術(shù)制造程序的示意圖，用于（a）在烘箱中固化/后固化的CFRP參考層壓板和（b）OOC-CFRP層壓板，同時監(jiān)測溫度（T）以進(jìn)行熱固化/后固化過程。
Figure 3.（a）圖案印刷的SWCNT薄膜在GF織物上的數(shù)碼照片和（b，c）在兩個不同放大倍數(shù)下的相應(yīng)SEM圖。
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Figure 4.SWCNT薄膜和原始材料的拉曼光譜（插圖：儲存3個月后SWCNT分散體的照片）。
Figure 5. (a)基于SWCNT的焦耳加熱裝置印刷到GF基板上的描述（插圖：實(shí)驗(yàn)測量的特定電氣值），以及相應(yīng)的電熱等效電路，（b）焦耳加熱裝置在1.6 V暴露電壓下的性能和溫度響應(yīng)對空氣進(jìn)行1小時的熱冷卻循環(huán)，以及（c）相對于施加電壓和GF-SWCNT焦耳加熱裝置的相應(yīng)功率輸入（等于功耗）的平均穩(wěn)態(tài)溫度，在環(huán)境中運(yùn)行狀況。
Figure 6.對 GF-SWCNT焦耳加熱器設(shè)備應(yīng)用不同Vbias 輸入（0.5、1.0、1.5和2.0 V）的焦耳熱效應(yīng)的溫度與時間，顯示每平方米的總功耗（W/m
2）和每種情況下升高的溫度.右側(cè)顯示的IR-T圖像在t = 3分鐘時施加1.5 V的Vbias（每平方米的功耗為167.86 W/m
2）證實(shí)了熱電偶在加熱器層表面測量的溫度。
Figure 7.（a）固化和（b）通過電熱效應(yīng)的后固化過程，通過施加不同的電壓輸入來激活兩個焦耳加熱器系統(tǒng)薄板不同的持續(xù)時間（描繪了每個加熱器操作的每平方米相應(yīng)的功耗）。右側(cè)的熱圖像證實(shí)了熱電偶在每種情況下測量的溫度。
Figure 8. （a）GF-SWCNT焦耳加熱器系統(tǒng)層壓板的穩(wěn)態(tài)溫度，集成到用于OOC 工藝的CFRP層壓板中，相對于施加的電壓（插圖：功率輸入對應(yīng)于加熱器的功率消耗，由于電熱效應(yīng)），以及（b）分別在90℃下90分鐘和 130℃下180分鐘的固化和后固化過程中，烤箱和烤箱外固化的CFRP層壓板隨時間的功耗比較。
Figure 9. （a）彎曲強(qiáng)度和彎曲模量與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的比較，以及（b）參考CFRP（烘箱固化）以及OOC-CFRP的DMA圖。
Figure 10.（a）通過激活頂部和底部GF系統(tǒng)層焦耳加熱裝置的除冰過程，以及 （b）溫度與時間圖顯示加熱器在Vbias = 2.1 V輸入電壓下的溫度電熱響應(yīng)，使用兩個獨(dú)立的每個加熱器系統(tǒng)層上的直流電源（作為插圖給出的熱圖像表示在自除冰多功能CFRP上達(dá)到的溫度，與熱電偶在整個除冰實(shí)驗(yàn)期間記錄的測量值非常一致）。（c）加熱器裝置的電阻分?jǐn)?shù)變化(DR/R
0)，它僅作為溫度電阻傳感器運(yùn)行，監(jiān)測作為溫度函數(shù)的裝置內(nèi)阻變化，證明了Tg自感測的功能。
相關(guān)研究成果由希臘約阿尼納大學(xué)Alkiviadis S. Paipetis課題組于2021年發(fā)表在《ACS APPLIED MATERIALS&INTERFACES》（https://doi.org/10.1021/acsami.1c10001）上。原文：Printed Single-Wall Carbon Nanotube-Based Joule Heating Devices Integrated as Functional Laminae in Advanced Composites。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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