希腊约阿尼纳大学---打印的基于单壁碳纳米管的焦耳加热器件集成为高级复合材料中的功能层
这项工作报告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。复合层压板被赋予了特殊辅助功能，从而具有多功能特性。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要的总功耗约为10.5 kWh。红外热成像仪(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)显示，与烘箱固化的CFRP相比，OOC-CFRP层压板的性能有轻微的击倒效应，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，例如在能源和运输部门（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。新颖的模块化设计通过多个互连的印刷设备阵列为大面积应用提供了独特的机会。
Figure 1.系统层的制造：（a）GF织物上的乙烯基胶带掩模，用于掩模辅助刮刀涂层印刷工艺，在去除后产生电阻器/印刷图案，以及（b）工艺示意图和最终设备的照片。
Figure 2.复合材料层压和通过真空袋技术制造程序的示意图，用于（a）在烘箱中固化/后固化的CFRP参考层压板和（b）OOC-CFRP层压板，同时监测温度（T）以进行热固化/后固化过程。
Figure 3.（a）图案印刷的SWCNT薄膜在GF织物上的数码照片和（b，c）在两个不同放大倍数下的相应SEM图。
Figure 4.SWCNT薄膜和原始材料的拉曼光谱（插图：储存3个月后SWCNT分散体的照片）。
Figure 5. (a)基于SWCNT的焦耳加热装置印刷到GF基板上的描述（插图：实验测量的特定电气值），以及相应的电热等效电路，（b）焦耳加热装置在1.6 V暴露电压下的性能和温度响应对空气进行1小时的热冷却循环，以及（c）相对于施加电压和GF-SWCNT焦耳加热装置的相应功率输入（等于功耗）的平均稳态温度，在环境中运行状况。
Figure 6.对 GF-SWCNT焦耳加热器设备应用不同Vbias 输入（0.5、1.0、1.5和2.0 V）的焦耳热效应的温度与时间，显示每平方米的总功耗（W/m2）和每种情况下升高的温度.右侧显示的IR-T图像在t = 3分钟时施加1.5 V的Vbias（每平方米的功耗为167.86 W/m2）证实了热电偶在加热器层表面测量的温度。
Figure 7.（a）固化和（b）通过电热效应的后固化过程，通过施加不同的电压输入来激活两个焦耳加热器系统薄板不同的持续时间（描绘了每个加热器操作的每平方米相应的功耗）。右侧的热图像证实了热电偶在每种情况下测量的温度。
Figure 8. （a）GF-SWCNT焦耳加热器系统层压板的稳态温度，集成到用于OOC 工艺的CFRP层压板中，相对于施加的电压（插图：功率输入对应于加热器的功率消耗，由于电热效应），以及（b）分别在90℃下90分钟和 130℃下180分钟的固化和后固化过程中，烤箱和烤箱外固化的CFRP层压板随时间的功耗比较。
Figure 9. （a）弯曲强度和弯曲模量与相应标准偏差的比较，以及（b）参考CFRP（烘箱固化）以及OOC-CFRP的DMA图。
Figure 10.（a）通过激活顶部和底部GF系统层焦耳加热装置的除冰过程，以及 （b）温度与时间图显示加热器在Vbias = 2.1 V输入电压下的温度电热响应，使用两个独立的每个加热器系统层上的直流电源（作为插图给出的热图像表示在自除冰多功能CFRP上达到的温度，与热电偶在整个除冰实验期间记录的测量值非常一致）。（c）加热器装置的电阻分数变化(DR/R0)，它仅作为温度电阻传感器运行，监测作为温度函数的装置内阻变化，证明了Tg自感测的功能。
相关研究成果由希腊约阿尼纳大学Alkiviadis S. Paipetis课题组于2021年发表在《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。