木质石墨烯电热复合材料的各向异性电热性能研究

摘要：木材独特的材料结构和明显的各向异性赋予了它一系列非凡的特性，为设计功能材料创造了机会。本文，东北林业大学《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“Investigation on the Anisotropic Electr

1成果简介

木材独特的材料结构和明显的各向异性赋予了它一系列非凡的特性，为设计功能材料创造了机会。本文，东北林业大学《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“Investigation on the Anisotropic Electrothermal Performance of Wood-Based Graphene Electric Heating Composites”的论文，研究通过制备木基石墨烯电热复合材料（GNPs@EW），探讨了木材各向异性结构在温控智能电热材料中的应用。

将石墨烯纳米片（GNPs）融入桦木基质（EW）中可增强绝缘木材的导电性和导热性。傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）和 X 射线衍射仪（XRD）分析证实了石墨烯与木材的结合。石墨烯与无水乙醇的质量比为 1:1，制备出了最佳复合材料（GNPs@EW1）。结果表明了木材的各向异性对复合材料导电性和导热性的影响，显示出复合材料在轴向的性能优于切向。GNPs@EW1 沿轴向的电阻率比切向降低了2.1-2.9倍，在6V电压下通电后，轴向的温升比切向高 22-29 °C。此外，GNPs@EW1还具有热稳定性、增强的轴向机械性能和温度均匀性，这些优异的轴向性能为开发木基加热材料和创新的智能加热应用奠定了基础。

2图文导读

图1、木材的层次结构和成分。

图2、a）木材各向异性特性的三个垂直坐标。b）嵌入 GNP 的木材示意图。c）乙醇逐步替代处理前后桦木薄木的宏观结构。

图3、GNPs@EW的制备工艺及微观结构分析原理图。

图4、Schematic representation of resistivity measurements by Montgomery's method along the a) tangential direction and b) axial direction. c) The schematic diagram for an electrical heating test.

图5、SEM and EDS analysis of EW and GNPs@EW. a) SEM image of EW in cross-section direction. b) SEM image of EW in radial-sectional direction. c) Enlarged SEM image of EW in radial-section direction. d) SEM image of GNPs@EW in cross-section direction. e) SEM image of GNPs@EW in radial-section direction. f) Enlarged SEM image of GNPs@EW in radial-section direction. g) EDS analysis of EW. h) EDS analysis of GNPs@EW.

图6、a) Schematic representation of resistivity measurement in the axial and tangential directions. b) The relationship diagram of resistivity and the ratios of different modified solution, the error bars indicate the standard deviation of the results of nine resistivity experiments. c) The relationship diagram of sheet resistance and the ratios of different modified solution, the error bars indicate the standard deviation of the results of nine sheet resistance experiments. Photographs of GNPs@EW powering the LED bulb at a voltage of 3 V in the d) axial and e) tangential directions, the arrows indicate the axial direction.

图7、Surface infrared thermal images of GNPs@EW along the a) tangential direction and b) axial direction under different voltages. c) Temperature diagram of long-term cyclic heating–cooling of GNPs@EW along the axial direction at 6 V. d) The curve of the surface peak temperature change of GNPs@EW during continuous heating within 180 min.

3小结

通过在桦木基体中引入石墨烯，成功制备了具有显著各向异性电热性能和温度调节能力的木基石墨烯电热复合材料，该复合材料沿轴向表现出优异的电热性能。最佳复合材料 GNPs@EW1 的轴向电阻率比切线电阻率低 2.1-2.9 倍，在 6 V 电压下沿轴向通电后，温升比切线电阻率高 22-29 ℃。同时，GNPs@EW1 具有热稳定性，增强了轴向机械性能，在红外热成像中沿轴向显示出更好的空间温度分布一致性。这一发现为基于木材各向异性结构开发高性能电热器件提供了新途径，使沿木材轴向设计具有更好导电性和导热性的器件成为现实。同时，利用复合材料的各向异性电热特性，还可以开发出满足特定热管理需求的智能加热材料。嵌入 GNPs 的木材还显示出作为超级电容器或电解电极的潜力，为开发基于木材的能源设备提供了新的可能性。这些发现为未来能源转换和智能材料领域的研究提供了重要的科学依据。

文献：