近日，希腊约阿尼纳大学的Alkiviadis S. Paipetis等相关研究人员报道了新型印刷单壁碳纳米管(SWCNT)电热焦耳加热装置的设计和制造。该器件直接沉积在单向(UD)玻璃纤维(GF)织物上。GF-SWCNT 焦耳加热器在制造过程中作为“系统”层集成在碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合层压板中。
复合材料层压板被赋予了特殊辅助功能，从而具有了多功能的特性。使用包含顶部/底部 GF-SWCNT 系统层的夹层结构证明了 CFRP 层压板的有效的炉外固化 (OOC)。热固性基体的高效聚合所需的总能耗约为10.5 kWh。红外热像仪(IR-T)监测显示，环氧树脂浸渍前后温度场均匀稳定。准静态三点弯曲和动态力学分析(DMA)表明与烘箱固化的 CFRP 相比，OOC-CFRP层压板的性能受到较小的破坏，而玻璃化转变温度(Tg)几乎相同。
OOC-CFRP 层压板在提供附加功能方面非常有效，例如在能源和交通领域（即风力涡轮机叶片或飞机机翼）中备受追捧的除冰和自感应功能。这种新颖的模块化设计通过印刷设备的多个互连阵列为大面积应用提供了独特的机会。
图S1. 描述了在两个(顶部和底部)GF系统层——焦耳加热装置——的热激活辅助下，用于制造OOC-CFRP层压板的真空装袋结构。安装非常简单，包括两个直流电源电子设备，分别为GF加热器电极的铜基导线，一个数据记录万用表，用于测量温度，带有k型热电偶，温度监控用红外摄像机，生产过程所需的所有部件和辅助材料(离型膜、单呼吸器、密封胶带、高温真空袋)。
图S1. OOC-CFRP层压板真空装袋工艺示意图
图S2. 显示了 40-50 μm 厚度的“巴基纸”薄膜，该薄膜源自使用 PVDF 滤膜（直径 47 mm，孔径 0.45 μm）进行真空辅助过滤，将其干燥过夜。该薄膜用于通过典型的四探针技术进行电测量。SWCNT巴基纸材料的 I-V 曲线显示施加的电压和通过导电网络的电流之间存在预期的线性关系。
图S2. (a)真空过滤生产SWCNT巴基纸薄膜的过程，(b)对应薄膜的Ι-V曲线。
通过将二维打印swcnts加热装置无缝集成到常规GF纤维增强材料上，在多功能CFRP层合复合材料中实现了有效的焦耳加热电热效应。可水处理的SWCNT基油墨已被用于加热器的制造，提供了以下几个优点，例如(i)通过多个互连阵列向大面积焦耳加热设备的工艺多功能性和可扩展性，即纤维材料上的卷对卷工艺基板，以及(ii)印刷过程和加热器设计在其他基板上的转移，用于各种应用，如可穿戴设备等。本文研制的新型SWCNT基焦耳加热器具有极低的器件内阻，使加热器器件在运行中具有良好的响应性和均匀的热分布印记。加热装置在集成到多功能薄片复合材料之前，已经在“空气”中在不同的驱动电压(Vbias)下进行了充分的表征。
加热器装置 (GF-SWCNT) 作为顶部和底部层压板集成在 [0/90] s CFRP 层压复合材料中，在整个层压板区域提供均匀的温度分布和高温，以实现有效的焦耳加热固化和后固化过程。固化和后固化过程需要相对较低的电压，即在每个加热层上分别施加 2 V 和 2.3 V，导致总功耗约为整个聚合需要 10.5 kWh。与传统制造的烘箱固化层压板相比，OOC-CFRP 层压板获得了类似的热机械结果以及弯曲性能，表明烘箱外固化成功。通过在 2.1 V 的 Vbias 下激活两个加热器系统层板，在完全固化的层压板中也证明了多功能 OOC-CFRP 的除冰效率，能够在层压板表面上达到 100°C 的温度，导致特定体积的冰块(16ml)在约8分钟内进一步融化。最后，加热器设备也用于另一个特定的功能。无缝集成的 2D 打印 SWCNT 加热器装置用作温度电阻传感器。实时设备的电阻变化分数 (ΔR/R0) 从室温 (25 °C) 到 170 °C 进行监测，发现提供了特定指纹，证实了由 DMA 确定的环氧基质玻璃化转变温度 (Tg) ，是层压复合材料的重要自感指标。
该研究制造和报告的多功能电热碳纤维复合材料可用于(i)远程制造或维修，(ii)改装和/或加固，(iii)翻新目的，(iv)复合材料结构的防冰，和(v)无损检测应用，即集成加热器系统的固有激活装置，以实现热成像和缺陷/裂纹识别等。此外，可以设想多功能电热玻璃钢还可以进一步用于去除湿度，这是玻璃钢复合材料结构在操作环境中的一个已知问题，因为具体来说，环氧树脂是极性聚合物体系，随着时间的推移会吸收大量的水分。最后，多功能电热FRP在未来可用于激活一些封装的愈合剂或用于新型的变形/重塑应用，特别是用于热塑性基体 FRP 复合材料。
Printed Single-Wall Carbon Nanotube-Based Joule Heating Devices Integrated as Functional Laminae in Advanced Composites
George Karalis, Lazaros Tzounis, Evangelos Dimos, Christos K. Mytafides, Marco Liebscher, Andreas Karydis-Messinis, Nikolaos E. Zafeiropoulos, and Alkiviadis S. Paipetis
ACS Applied Materials & Interfaces
DOI: 10.1021/acsami.1c10001
