這項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”層集成在碳纖維增強聚合物(CFRP)復合層壓板中。復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 系統層的夾層結構證明了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)監測顯示，環氧樹脂浸漬前后溫度場均勻穩定。準靜態三點彎曲和動態力學分析(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，而玻璃化轉變溫度(Tg)幾乎相同。OOC-CFRP 層壓板在提供附加功能方面非常有效，例如在能源和運輸部門（即風力渦輪機葉片或飛機機翼）中備受追捧的除冰和自感應功能。新穎的模塊化設計通過多個互連的印刷設備陣列為大面積應用提供了獨特的機會。
Figure 1.系統層的制造：（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，在去除后產生電阻器/印刷圖案，以及（b）工藝示意圖和最終設備的照片。
Figure 2.復合材料層壓和通過真空袋技術制造程序的示意圖，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，同時監測溫度（T）以進行熱固化/后固化過程。
Figure 3.（a）圖案印刷的SWCNT薄膜在GF織物上的數碼照片和（b，c）在兩個不同放大倍數下的相應SEM圖。
.png)
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：實驗測量的特定電氣值），以及相應的電熱等效電路，（b）焦耳加熱裝置在1.6 V暴露電壓下的性能和溫度響應對空氣進行1小時的熱冷卻循環，以及（c）相對于施加電壓和GF-SWCNT焦耳加熱裝置的相應功率輸入（等于功耗）的平均穩態溫度，在環境中運行狀況。
Figure 6.對 GF-SWCNT焦耳加熱器設備應用不同Vbias 輸入（0.5、1.0、1.5和2.0 V）的焦耳熱效應的溫度與時間，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薄板不同的持續時間（描繪了每個加熱器操作的每平方米相應的功耗）。右側的熱圖像證實了熱電偶在每種情況下測量的溫度。
Figure 8. （a）GF-SWCNT焦耳加熱器系統層壓板的穩態溫度，集成到用于OOC 工藝的CFRP層壓板中，相對于施加的電壓（插圖：功率輸入對應于加熱器的功率消耗，由于電熱效應），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）彎曲強度和彎曲模量與相應標準偏差的比較，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，使用兩個獨立的每個加熱器系統層上的直流電源（作為插圖給出的熱圖像表示在自除冰多功能CFRP上達到的溫度，與熱電偶在整個除冰實驗期間記錄的測量值非常一致）。（c）加熱器裝置的電阻分數變化(DR/R
0)，它僅作為溫度電阻傳感器運行，監測作為溫度函數的裝置內阻變化，證明了Tg自感測的功能。
相關研究成果由希臘約阿尼納大學Alkiviadis S. Paipetis課題組于2021年發表在《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。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
.jpg)
