ACS Applied Nano Materials：激光调控3D打印石墨烯的各向异性用于高效光电热除冰

各向异性导热系数在光热防冰/除冰应用中显示出良好的应用前景。本研究的重点是优化FDM3D打印石墨烯增强热塑性聚氨酯(G-TPU)/NEAT热塑性聚氨酯(N-TPU)复合材料的激光诱导参数。通过精确控制激光功率和扫描方式，Li-G-TPU/NTPU双层膜的面内(IP)导热系数从3.31W/(MK)增加到5.84W/(MK)，而通面(TP)导热系数保持在∼0.50W/(MK)。这一优化将各向异性导热比从6.49提高到11.02。同时，各向异性电导率提高了2个数量级，达到7.2 5×10⁹，IP电阻率由85.31降至0.53Ωm，TP电阻率由6.29降至3.84GΩm。分析证实，重复激光扫描后，石墨烯的结构完整性和片状取向保持不变。这一点，再加上石墨烯退火后结晶度的提高，协同提高了各向异性的热导率和电导率。激光烧蚀还诱导了多孔石墨烯微/纳米结构，使疏水性从71°(亲水)提高到126.9°(强疏水)。由于散射效应，复合材料的光学密度提高了50%以上。这些优化的性能产生了出色的除冰性能。C2样品(两次全交叉扫描)在协同光热(1500 W/m²)和电热(30 V)性能下，在120s内实现了超过70.0℃的平衡温度，仅比电热样品高16.2℃，仅比光热样品高41.3℃。在除冰方面，C2样品仅通过光热和电热加热模式在359s内融化了1 g冰块，与仅使用电热和仅使用光热模式相比，时间分别缩短了42%和54%。据设想，开发一种经济的除冰方法将适用于广泛的表面，如飞机机翼、风力涡轮机叶片、输电线路和桥梁表面。

图1.不同激光功率和扫描方式下Li-G-TPU/N-TPU双层结构的制备(a)描述G-TPU长丝合成过程的方案；(b)制备的G-TPU长丝(含30wt%石墨烯薄片)和N-TPU(不含石墨烯薄片)的照片；(c)Li-G-TPU/N-TPU双层样品的制作方案；(d)和(e)平行直线扫描的Li-G-TPU/N-TPU双层样品的表面轮廓仪表征和扫描电子显微镜图像(俯视图)；(f,g)同心正方形扫描Li-G-TPU/N-TPU双层样品的表面轮廓仪表征和扫描电子显微镜图像(俯视图)。对具有不同激光功率的Li-G-TPU/N-TPU结构在(h)平行线型和(i)同心正方形结构中的面内导热系数进行了研究。研究了具有不同激光功率的Li-G-TPU/N-TPU结构在(j)平行线型和(k)同心正方形结构中的面内电导。

综上所述，这项工作表明，对G-TPU/N-TPU结构进行重复交叉激光扫描显著提高了它们的性能。尽管聚合物基质的部分分解导致复合材料中的填料浓度增加，但多次石墨烯片状热处理有助于提高结晶度，从而协同地导致热导率和电导率的提高。采用优化的激光扫描参数，Li-G-TPU/N-TPU结构的各向异性热导率(TCIP/TCTP)达到11.02，IP热导率从3.31 W/(MK)提高到5.84 W/(MK)，TP热导率保持在0.5W/(MK)左右。同时，其各向异性电导率显著增加了两个数量级，从7.37×107增加到7.25×109，这是由于IP电阻率从85.31下降到0.53Ωm，TP电阻率从6.29下降到3.84GΩm。此外，通过激光烧蚀处理，石墨烯薄片形成了多孔微/纳米结构，大大增强了疏水性，接触角从71.0°(亲水的S0)增加到126.9°(强烈疏水的C2)。此外，多孔分级石墨烯微纳米结构中的诱导散射效应和多次内反射可以使复合材料的光学密度提高50%以上。这些改进在光电/电热转换方面产生了协同效应。

对于光热红外成像测试，在环境条件下，C2在光电/电热模式下达到70.0℃的平衡温度，比纯电热模式高16.2℃，比单独光热模式高41.3℃。对于C2的除冰性能测试，在光电/电热模式下，1克冰块完全融化大约需要6分钟，与电热模式相比，时间缩短了42%以上，与光热模式相比，时间缩短了54%。

与传统导热聚合物复合材料、金属基体系、商用防冰/除冰涂料等基准材料相比，Li-G-TPU/N-TPU复合材料具有制造工艺简单、成本低、重量轻、适合大批量生产等特点，具有高柔韧性、高机械性能、优异的导电性、导热性和光电热学性能。

本工作通过将3D打印的设计灵活性和生产适应性与激光加工的精度和效率相结合，回顾并进一步系统地研究了3D打印的防冰和除冰方法。它提供了一种经济的除冰方法，潜在的应用领域包括航空航天(例如，飞机机翼)、能源(例如，风力涡轮机叶片和输电线)和基础设施(例如，桥梁)。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c03853

相应的成果以“Enhanced Anisotropy of 3D-Printed Graphene–Polyurethane Composites with Optimized Laser Scan Parameters for Photo/Electrothermal Deicing Applications”为题发表在ACS Applied Nano Materials上，文章的通讯作者为中国科学院固体物理研究所王振洋研究员和席敏副研究员。