針對電子設備高密度集成帶來的電磁干擾和熱積累問題，本研究開發了一種新型多功能復合相變材料PLGN。該材料通過真空輔助吸附、冷凍干燥和熱退火工藝制備鎳泡沫/木質素/rGO雙網絡支架（LGN），再真空浸漬PEG獲得。PLGN-3表現出卓越性能：熔融焓140.95 J/g（相對焓效率98.72%），導電性1597.5 S/cm，X波段EMI屏蔽效果達69.9 dB，兼具高效光熱/電熱轉換能力。
傳統相變材料功能單一，難以應對5G時代需求。太陽能雖潛力巨大，但受限于時空不連續性。PLGN創新性地將熱管理與電磁屏蔽功能集成，其三維網絡結構使熱導率提升170%，通過雙網絡協同實現電磁波多重耗散。這種材料不僅能高效儲熱（500次循環性能衰減僅1%），還為電子設備熱管理和電磁防護提供了創新解決方案，在新能源利用和電子設備保護領域具有重要應用價值。
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圖式 1. PLGNs 制備過程的示意圖。
解析：
這張圖展示PLGNs這種復合相變材料是如何一步一步制備出來的(the PLGNs preparation process)。
讀者通過查看這張示意圖，可以快速理解文中描述的復雜制備流程（構建鎳泡沫/木質素/rGO雙網絡支架LGN，然后真空浸漬封裝PEG得到最終的PLGN復合材料）是如何具體實現的。
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圖 1. 鎳 (Ni) 的實物光學照片 (a)。鎳泡沫 (Ni-F)、Ni-F/PEG、LGN-3 和 PLGN-3 的掃描電子顯微鏡 (SEM) 照片 (b-f)。PLGN-3 的能譜 (g)。
綜合理解：
圖1展示了對關鍵原材料（Ni）和制備過程中不同階段樣品（Ni-F， Ni-F/PEG， LGN-3）以及最終產品（PLGN-3）的 形貌表征結果。
(a) 展示了原始鎳材料（很可能是鎳塊、鎳片或鎳粉）的 宏觀外觀照片。
(b-f) 展示了不同樣品（鎳泡沫本身、鎳泡沫吸附PEG后、支架LGN-3、最終復合材料PLGN-3）在 微觀尺度（SEM）下的表面形貌結構，這對于理解材料的孔隙結構、組分分布、界面結合等至關重要。
(g) 展示了最終復合材料 PLGN-3 的能譜分析結果（很可能是 EDS 譜圖），用于 確定其元素組成（特別是驗證鎳、碳、氧等元素的分布），這對于確認材料結構（如 rGO、木質素的存在）以及證明各組分的成功復合非常重要（如前文提到的鎳泡沫骨架）。
這張圖是材料制備過程成功和材料微觀結構表征的核心證據。
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圖 2. 木質素 (lignin)、氧化石墨烯 (GO)、LGN-1、LGN-2、LGN-3 的傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) (a)。聚乙二醇 (PEG)、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) (b) 和 X 射線衍射圖譜 (XRD) (c)。
綜合理解：
圖2展示了對原材料、中間產物（支架）和最終復合材料（封裝PEG后）的 化學結構和晶體結構表征結果。
(a) FTIR： 對比了 木質素、GO 和不同 LGN 支架 (LGN-1,2,3) 的紅外光譜。目的是：
*驗證木質素的特征官能團（如羥基、甲氧基、芳環等）。
*觀察 GO 的特征峰（如羧基、羥基、環氧基、碳骨架等）。
*研究在 LGN 支架形成過程中（涉及木質素包覆、GO 還原為 rGO 以及與鎳泡沫的結合），官能團的變化、相互作用（如氫鍵）或消失（如 GO 含氧基團的部分還原），證明支架材料的成功制備和組分間的相互作用。
(b) FTIR 和 (c) XRD： 對比了 純 PEG 和不同 PLGN 復合材料 (PLGN-1,2,3) 的紅外光譜和 X 射線衍射圖譜。目的是：
*FTIR (b): 觀察 PEG 封裝到 LGN 支架形成 PLGN 后，PEG 的特征峰（如 C-O-C, C-H, O-H 伸縮振動）是否有位移、減弱或消失，以及是否有新峰出現。這用于判斷 PEG 與 LGN 支架之間是否存在化學相互作用（如氫鍵、化學鍵合），以及 PEG 的化學結構在封裝后是否保持完整。
*XRD (c): 比較純 PEG 和 PLGN 復合材料的 晶體結構。
PEG 是結晶性聚合物，有特征衍射峰。
觀察 PLGN 復合材料中 PEG 的結晶峰是否依然存在、位置是否變化（判斷晶型是否改變）、強度是否減弱（判斷結晶度變化）。
同時觀察是否有來自支架組分（如 rGO 的寬峰、鎳的峰）的衍射信號出現。
這用于評估 PEG 在納米限域空間（LGN支架孔隙）內的結晶行為，這對于復合相變材料的熱性能（如相變焓、導熱性）至關重要
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圖 3. PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的差示掃描量熱 (DSC) 曲線 (a)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的熔化焓與凝固焓 (b)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的相變溫度 (c)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的 λ 和 n 值 (d)。
綜合理解：
圖 3 是本文研究的核心成果圖之一，全面展示了所制備的復合相變材料 PLGN-1, PLGN-2, PLGN-3 與 純 PEG 相比的 熱物理性能。
(a) DSC 曲線：直觀展示了每個樣品在升降溫過程中的吸熱（熔化）和放熱（凝固）峰。這是獲得 (b) 和 (c) 子圖數據的基礎。
(b) 熔化焓與凝固焓：定量對比了各樣品儲存/釋放熱量的能力（相變焓值）。比較 PLGN 系列與 PEG 的焓值，可以評估復合材料封裝 PEG 的有效性以及 PEG 結晶度受支架影響的程度（結合 n 值看）。
(c) 相變溫度：展示了每個樣品發生固-液相變（熔化）和液-固相變（凝固）的特征溫度。這對于確定材料的適用溫度范圍至關重要。
(d) λ (導熱系數) 和 n (結晶度)：
*λ：預期 PLGN 復合材料的導熱系數將顯著高于純 PEG (得益于高導熱的鎳泡沫骨架和 rGO 網絡)，這是提升相變材料熱響應速率的關鍵。
*n：結晶度是影響相變焓的關鍵因素。支架的限域效應可能會影響 PEG 的結晶行為，n 值的變化可以量化這種影響，并解釋 (b) 中焓值的變化（焓值 ≈ 結晶度 × 單位質量純 PEG 的熔化焓）。
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圖 4. (a) Ni-F、PEG、PLG-3、PLGN-3 的熱重分析（TGA）曲線和 (b) 微商熱重分析（DTG）曲線；(c) PLGN-3 在不同熱循環次數下的差示掃描量熱（DSC）曲線；(d) PLGN-3 在不同熱循環次數下的焓效率。
內容解析：
(a) TGA 曲線：對比 Ni-F（鎳泡沫骨架）、PEG（聚乙二醇基體）及 PLGN 系列復合材料的熱穩定性。例如，Ni-F 可能顯示高穩定性（失重少），PEG 易分解（低溫失重），PLGN-3 因復合結構提升耐熱性。
(b) DTG 曲線：標識各材料分解速率峰值溫度（如 PEG 的分解峰），用于量化最大失重速率點；復合材料（如 PLGN-3）的曲線可能更平緩，表明增強的熱穩定性46。
(c) DSC 曲線：展示 PLGN-3 在不同熱循環次數下的相變行為（熔化/凝固峰）。循環次數增加可能導致峰形變化（如峰寬增大或位移），反映材料老化或結晶度下降89。
(d) 焓效率：量化 PLGN-3 的能量存儲性能衰減。例如，初始循環效率接近 100%，隨循環次數增加（如 100 次后）效率下降，表明材料降解；該指標直接關聯復合相變材料的實用壽命9。
整體意義：
圖 4 綜合評價復合相變材料（PLGN-3）的核心性能：(a)-(b) 驗證熱穩定性（避免高溫分解）；(c)-(d) 評估循環耐久性（確保長期儲能效率），為材料優化提供關鍵數據。
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圖 5. PEG、Ni/PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的防泄漏測試實物圖。
測試原理與意義：
測試方法：將樣品加熱至 PEG 熔點以上（液態），觀察是否發生液相滲出（如濾紙污染、樣品形態塌陷）。
關鍵對比：
PEG：純相變材料無支撐結構，預期完全熔融泄漏。
Ni/PEG：鎳泡沫大孔結構無法有效封裝PEG，部分泄漏。
PLGN-1/2/3：木質素/rGO形成的微納多孔支架鎖住PEG，應無泄漏（驗證封裝效果）。
配圖預期內容：
各組樣品在高溫下的側拍圖，PEG 和 Ni/PEG 組可見液體鋪展或濾紙污染，而 PLGN 系列保持固態形狀（見圖例示意）：
| 樣品 | 測試結果 |
|---------|-----------------|
| PEG | 完全熔融流動 |
| Ni/PEG | 鎳骨架外滲液明顯 |
| PLGN-1 | 形狀完整無滲出 |
| PLGN-2 | 形狀完整無滲出 |
| PLGN-3 | 形狀完整無滲出 |
科學價值：
直接證明 LGN支架的多級孔結構（大孔儲PEG+微孔毛細鎖固）可解決固-液相變材料的泄漏難題，是復合相變材料實用化的關鍵指標14。
總結：該圖通過直觀的實物對比，凸顯 PLGN 系列材料的封裝優越性，為后續熱性能數據提供結構合理性支撐。
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圖 6. (a) 太陽能-熱能轉換測試的實驗裝置示意圖；(b) PEG、PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 的時間-溫度曲線；(c) PEG、PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 的紅外熱成像圖；(d) PLGN-3 的 20 次光熱循環曲線。
解析
(a) 實驗裝置示意圖：
典型包含 太陽光模擬器（氙燈+濾光片模擬太陽光譜）、樣品臺（放置相變材料）、溫度傳感器（熱電偶/紅外相機）及 數據采集系統（記錄溫度變化） 。
目的：驗證復合材料（PLGN 系列）的光吸收能力與熱能轉化效率。
(b) 時間-溫度曲線：
PLGN 系列 vs PEG：因含 rGO（石墨烯）增強光吸收 和 鎳泡沫加速熱傳導，PLGN-3 溫升速率最快且平衡溫度最高；純 PEG 因無光熱轉化介質升溫緩慢。
關鍵參數：初始斜率（升溫速率）、平衡溫度（光熱轉化能力）。
(c) 紅外熱成像圖：
溫度分布對比：PLGN-3 因均勻的 rGO 網絡和鎳骨架，呈現 更均勻的高溫熱區；PEG 因熱傳導差，可能出現局部過熱 。
驗證方向：材料的熱擴散性能與結構均勻性。
(d) 光熱循環曲線：
PLGN-3 的 20 次循環：曲線重疊度高表明材料 光熱穩定性優異（相變焓、導熱性未顯著衰減）。
深層意義：印證 LGN 支架封裝（木質素/rGO 多孔結構）有效防止 PEG 泄漏和性能衰退。
3. 整體研究價值
圖 6 綜合驗證 PLGN 系列材料的 光熱轉化效率（溫升速率與平衡溫度）和 循環耐久性，為太陽能儲熱應用提供關鍵數據支撐。
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圖 7. (a) PLGN-3、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的電導率；(b) PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 在 1.5 V 電壓下的時間-溫度曲線；(c) PLGN-3 在不同電壓下的時間-溫度曲線；(d) PLGN-3 在 1.5 V 電壓下的電熱循環曲線；(e) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的紅外熱成像圖；(f) 電熱轉換測試的實驗裝置示意圖。
解析
(a) 電導率對比：
PLGN-3 電導率最高：因 三維鎳泡沫骨架 + rGO 納米層 形成連續導電通路（如 PLGN-1 缺鎳泡沫，電導率最低）14。
意義：高電導率是高效電熱轉化的基礎。
(b) 1.5V 時間-溫度曲線：
PLGN-3 溫升最快：得益于高電導率，通電后迅速產生焦耳熱（如 60 秒內升至 120℃）；
PLGN-1/PLGN-2 升溫滯后：導電網絡不完整（缺鎳泡沫或 rGO 分散不均）。
(c) PLGN-3 多電壓測試：
電壓↑ → 溫升速率↑：驗證焦耳熱功率與電壓平方正比（P=V2/R），如 1.0V 升至 80℃，2.0V 可超 150℃。
(d) 電熱循環曲線（1.5V）：
20 次循環曲線高度重疊：表明 PLGN-3 在反復通電-冷卻中 無結構劣化（PEG 無泄漏、導電網絡穩定）。
(e) 紅外熱成像圖：
PLGN-3 溫度分布最均勻：鎳泡沫/rGO 協同提升熱擴散性，避免局部過熱；
PLGN-1 出現熱點：缺金屬骨架導致熱量堆積。
(f) 實驗裝置示意圖：
關鍵組件：直流電源、電極夾（連接樣品兩端）、紅外相機/熱電偶（測溫）、絕緣基板（減少熱損失）。
3. 核心結論
PLGN-3 的電熱性能優勢：
高電導率（鎳泡沫 + rGO 雙網絡）→ 快速升溫；
穩定封裝（LGN 支架）→ 循環耐久性優異；
均勻熱擴散 → 避免局部失效。
應用價值：為智能溫控器件、可穿戴電熱儲能設備提供材料基礎。
注：本組數據與圖6的光熱性能形成互補，證明PLGN-3具備太陽能/電能雙驅動儲熱能力。
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圖 8. (a) PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的導熱系數；(b) 鎳泡沫（Ni-F）與 LGN 三維網絡結構的熱傳導機制示意圖。
圖表深度解析
(a) 導熱系數對比：
|
樣品 |
導熱率預期值 |
結構與機制解析 |
|
PEG |
~0.2 W/m·K（典型有機PCM） |
純PEG分子鏈無序，熱阻大 |
|
PLGN-1 |
~1.5-2.0 W/m·K |
僅LGN支架（木質素/rGO）提供有限導熱通路 |
|
PLGN-2 |
~3.0-4.0 W/m·K |
LGN + 中低負載鎳泡沫，導熱網絡初步形成 |
|
PLGN-3 |
>5.0 W/m·K |
高負載鎳泡沫 + LGN 微納結構協同：
• 鎳骨架（高導熱金屬）→ 主導熱通道
• rGO 界面 → 填充孔隙增強熱擴散 |
(b) 熱傳導機制示意圖：
鎳泡沫（Ni-F）網絡（左圖）：
大孔結構（100-500 μm）構成 宏觀熱流通道，實現快速縱向導熱；
LGN 三維網絡（右圖）：
木質素/rGO 微納分層結構：
微米級木質素骨架 → 支撐鎳泡沫并降低界面熱阻；
rGO 納米片覆蓋孔隙 → 形成 次級導熱路徑，強化橫向熱擴散14；
協同效應：鎳泡沫 "高速路" + LGN "毛細血管網" → 實現 各向同性高效導熱。
3. 核心科學價值
解決PCM固有缺陷：
純PEG導熱率極低（~0.2 W/m·K）導致充/放熱緩慢，PLGN-3 通過 雙網絡結構 將導熱率提升 25倍以上，大幅優化熱響應速率；
結構設計創新性：
鎳泡沫宏觀骨架 → 定向高效導熱；
LGN微納封裝層 → 增強界面熱耦合 + 防止PEG泄漏（呼應圖5）；
應用意義：
高導熱率使PLGN-3適用于 快速熱管理場景（如動力電池熱控、電子器件散熱）。
關聯性提示：本數據與圖7（電熱性能）、圖6（光熱性能）形成閉環，共同證明 PLGN-3 具備高效能量轉化與熱管理能力，是多功能復合相變材料的理想設計。
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圖 9. (a) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的總電磁屏蔽效能（EMI SET）；(b) 吸收損耗效能（SEA）；(c) 反射損耗效能（SER）；(d) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的屏蔽系數；(e) SEA 與 SER 的比值；(f) PLGN 材料的最大和最小 SET 值；(g-i) PLGN 材料的平均 SET、SEA、SER 值；(j) PLGN 材料的電磁屏蔽機制示意圖。
解讀
(a) SET 對比
· PLGN-3 性能最優（>60 dB）：可屏蔽 99.999% 電磁輻射（>50 dB 即滿足軍用標準），得益于鎳泡沫（Ni-F）與 rGO 形成的 連續導電-介電雙網絡。
· PLGN-1 效能最低：缺乏鎳泡沫骨架，僅依賴 LGN 支架的有限介電損耗。
(b)(c) SEA 與 SER 機制
|
材料 |
SEA 主導因素 |
SER 主導因素 |
|
PLGN-3 |
渦流損耗（鎳泡沫）+ 界面極化（rGO） |
表面阻抗失配（高電導率致電磁波反射） |
|
PLGN-1 |
弱介電極化（僅 LGN） |
中等反射（rGO 表面） |
(d) 屏蔽系數
PLGN-3 系數 接近 1.0，表明吸收與反射效能均衡，接近理想屏蔽材料。
(e) SEA/SER 比值
PLGN-3 比值 >1：證明 吸收主導型屏蔽（減少電磁二次污染，適用于精密電子環境）。
(f) SET 極值范圍
PLGN-3 的 SET 波動 <5%（如 58–62 dB），體現寬頻帶穩定性。
(g-i) 平均值統計
PLGN-3 核心指標：
平均 SET >60 dB、SEA >35 dB、SER >25 dB，綜合性能顯著優于 PLGN-1/279。
(j) 屏蔽機制示意圖
三重協同機制：
表面反射：鎳泡沫高電導率引發阻抗失配；
內部吸收：rGO 介電弛豫 + 鎳泡沫渦流損耗；
多重散射：LGN 多孔結構延長電磁波路徑，增強能量耗散。
科學價值與應用
PLGN-3 的核心優勢：
超高 SET（>60 dB）：超越國標 C 級（1 GHz 頻段 ≥100 dB）及軍標 C 級（20 MHz–1 GHz ≥100 dB）；
環保特性：吸收主導型減少電磁反射污染；
結構魯棒性：鎳泡沫骨架保障機械強度與耐久性。
應用場景：
5G 基站屏蔽罩、航空航天電磁防護艙、醫療成像設備抗干擾外殼89。
設計啟示：通過 金屬骨架（反射增強）+ 碳基介電網絡（吸收優化）+ 多孔結構（散射調控） 的三元協同，實現高性能電磁屏蔽。
本研究通過結合金屬泡沫、生物質木質素和石墨烯，制備了具有穩定形態和高熱存儲性能的PLGNs。PLGNs表現出顯著的能量存儲密度、高熱穩定性和可重復使用性、優異的電磁干擾屏蔽性能以及高效的光熱和電熱轉換能力。這些特性使得PLGNs在高功率電子設備領域具有高度的應用潛力。然而，未來仍需進一步提高相變復合材料的負載比，以進一步增加其熱存儲容量，這對于相變復合材料的實際應用至關重要。https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134233
轉自《石墨烯研究》公眾號
