用于碳纤维快速电热除冰的金属装甲碳纳米管桥

《International Journal of Thermal Sciences》：Metal-armored CNT bridges for rapid electrothermal de-icing of carbon fibers

　　

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  通过顺序策略构建了分级"碳纤维–碳纳米管–金属"三维导电架构。
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  第二层金属"装甲"锚定了碳纳米管网络，形成了三维界面。
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  NiCu-CNT@CF在仅1 V下10 s内温升达22.9 °C，将电热转换系数降低了30.1%。
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  在?40 °C冷台上，该复合材料的除冰时间比原碳纤维减少了70%。
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  多尺度界面互锁使层间剪切强度提高了约16%。

引言

气动表面上的大气积冰是飞机和风力涡轮机的一个严重问题[[1], [2], [3]]。积冰会改变表面形状并扰乱气流。它可增加阻力、减小气动扭矩并降低能量输出[[4], [5], [6]]。在严重情况下，还可能威胁运行安全。被动防冰方法，如超疏水涂层，已被广泛研究。它们可以在特定条件下延迟结冰。然而，其耐久性往往受到紫外照射、雨水侵蚀和机械磨损的限制[7,8]。因此，主动电热除冰仍然是实际应用中最为可靠的方法之一[9,10]。它通过受控的焦耳热移除或防止冰层形成，并能够响应变化的环境条件。

碳纤维是有前景的电热元件。它们密度低、比强度高且具有固有电导率[[11], [12], [13]]。它们还可以集成到承力复合材料结构中。尽管如此，原始碳纤维并不能提供理想的加热性能。对于低压除冰而言，其电阻仍然相对较高[[14], [15], [16]]。更重要的是，相邻纤维之间的接触较弱且不连续。这产生了较高的纤维间电阻并减缓了横向热传递。已有两条改性路线被用于解决这些问题。一条路线引入非金属纳米填料，如碳纳米管或石墨烯[[17], [18], [19], [20], [21]]。这些填料可以形成桥接网络并改善纤维间的接触[[22], [23], [24], [25]]。另一条路线采用表面金属化来提高单纤维的轴向导电性[[26], [27], [28], [29], [30], [31]]。每条路线都有明显的优势，但也存在局限。纳米填料可能会团聚且可能无法形成稳定的界面[32]。金属涂层可以改善轴向传导，但未必能连接相邻纤维之间的间隙[33]。因此，一种实用的电热结构应同时改善单纤维传导和纤维间传运。

近期的研究将金属相与碳基纳米材料相结合[34,35]。这些混合体系表明两种组分可以协同工作。然而，许多已报道的结构仍为简单混合或表面涂层。不同结构层次并未总是赋予明确的功能。此外，大多数混合改性设计用于静态力学增强或电磁屏蔽[36,37]。电热除冰需要不同的性能平衡。材料必须能够快速加热、均匀分布热量，并且在反复加热和冷却过程中保持稳定[38]。这些要求呼唤分级架构，而非简单涂层。

在此，我们设计了一种NiCu-CNT@CF复合材料以满足这些要求。该材料通过无电镀–CVD–无电镀路线制备。第一层Ni-Cu作为碳纳米管生长的原位催化剂。碳纳米管随后在碳纤维之间充当纳米桥。之后，第二层Ni-Cu涂层固定碳纳米管并形成金属装甲网络。在这种CF-CNT-金属结构中，金属层改善了轴向电子传运，而碳纳米管桥缩短了横向传运路径。引入第二层Ni-Cu涂层是为了进一步稳定碳纳米管网络，并改善在反复热和机械载荷下导电通道的完整性。我们研究了复合材料的形貌、电热响应、热稳定性、除冰性能和层间剪切强度。数值模拟也被用于阐明结构如何改变局部电子和热传运。

摘要

材料合成

采用商用聚丙烯腈PAN基碳纤维作为原碳纤维。制备路线如图1所示。首先，原碳纤维通过Cu-Ni混合沉积槽进行无电镀处理。Cu-Ni比例根据我们此前报道的方法选定为7.5:3 [39]。镀液中含有柠檬酸三钠二水合物（Na₃C₆H₅O₇·2H₂O, 99%, AR）作为络合剂，次磷酸钠（NaH₂PO₂, 99%）作为还原剂，硫酸铜五水合物（CuSO₄·5H₂O, 99%, AR）

形貌与结构表征

纤维表面形貌的变化如图2所示。原碳纤维具有光滑表面和浅沟槽（图2A）。这种表面提供有限的机械锚固和有限的纤维间接触。如图2B所示，NiCu-CF的SEM图像显示样品具有薄而均匀的金属涂层。涂层表面粗糙，由小颗粒簇组成。经CVD后，CNT@CF表面发生明显变化（图2C）。密集的柱状纳米结构覆盖了纤维表面。拉曼

结论

总之，通过顺序无电镀–CVD–无电镀工艺制备了分级NiCu-CNT@CF复合材料。第一层Ni-Cu在碳纤维上催化碳纳米管生长。第二层Ni-Cu进一步覆盖并稳定了碳纳米管网络，形成了集成的CF-CNT-金属架构。该结构降低了纤维间接触电阻并改善了热传递路径。在1 V下，NiCu-CNT@CF在10 s内温升达22.9 °C。其电热

CRediT作者贡献声明

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利益冲突声明

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致谢

本研究由中央高校基本科研业务费、111中心（B18002）资助。

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