针对电子设备高密度集成带来的电磁干扰和热积累问题，本研究开发了一种新型多功能复合相变材料PLGN。该材料通过真空辅助吸附、冷冻干燥和热退火工艺制备镍泡沫/木质素/rGO双网络支架（LGN），再真空浸渍PEG获得。PLGN-3表现出卓越性能：熔融焓140.95 J/g（相对焓效率98.72%），导电性1597.5 S/cm，X波段EMI屏蔽效果达69.9 dB，兼具高效光热/电热转换能力。
       传统相变材料功能单一，难以应对5G时代需求。太阳能虽潜力巨大，但受限于时空不连续性。PLGN创新性地将热管理与电磁屏蔽功能集成，其三维网络结构使热导率提升170%，通过双网络协同实现电磁波多重耗散。这种材料不仅能高效储热（500次循环性能衰减仅1%），还为电子设备热管理和电磁防护提供了创新解决方案，在新能源利用和电子设备保护领域具有重要应用价值。
 
 ‌图式 1. PLGNs 制备过程的示意图。‌
‌解析：
这张图展示‌PLGNs这种复合相变材料是如何一步一步制备出来的(the PLGNs preparation process)‌。
读者通过查看这张示意图，可以快速理解文中描述的复杂制备流程（构建镍泡沫/木质素/rGO双网络支架LGN，然后真空浸渍封装PEG得到最终的PLGN复合材料）是如何具体实现的。
 

图 1. 镍 (Ni) 的实物光学照片 (a)。镍泡沫 (Ni-F)、Ni-F/PEG、LGN-3 和 PLGN-3 的扫描电子显微镜 (SEM) 照片 (b-f)。PLGN-3 的能谱 (g)。
综合理解：
图1展示了对关键原材料（Ni）和制备过程中不同阶段样品（Ni-F， Ni-F/PEG， LGN-3）以及最终产品（PLGN-3）的 ‌形貌表征结果‌。
‌(a)‌ 展示了原始镍材料（很可能是镍块、镍片或镍粉）的 ‌宏观外观照片‌。
‌(b-f)‌ 展示了不同样品（镍泡沫本身、镍泡沫吸附PEG后、支架LGN-3、最终复合材料PLGN-3）在 ‌微观尺度（SEM）下的表面形貌结构‌，这对于理解材料的孔隙结构、组分分布、界面结合等至关重要。
‌(g)‌ 展示了最终复合材料 ‌PLGN-3 的能谱分析结果‌（很可能是 EDS 谱图），用于 ‌确定其元素组成‌（特别是验证镍、碳、氧等元素的分布），这对于确认材料结构（如 rGO、木质素的存在）以及证明各组分的成功复合非常重要（如前文提到的镍泡沫骨架）。
这张图是材料制备过程成功和材料微观结构表征的核心证据。
 

图 2. 木质素 (lignin)、氧化石墨烯 (GO)、LGN-1、LGN-2、LGN-3 的傅里叶变换红外光谱 (FTIR) (a)。聚乙二醇 (PEG)、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的傅里叶变换红外光谱 (FTIR) (b) 和 X 射线衍射图谱 (XRD) (c)。
综合理解：
图2展示了对原材料、中间产物（支架）和最终复合材料（封装PEG后）的 ‌化学结构和晶体结构表征结果‌。
‌(a) FTIR：‌ 对比了 ‌木质素、GO 和不同 LGN 支架 (LGN-1,2,3) 的红外光谱‌。目的是：
*验证木质素的特征官能团（如羟基、甲氧基、芳环等）。
*观察 GO 的特征峰（如羧基、羟基、环氧基、碳骨架等）。
*研究在 LGN 支架形成过程中（涉及木质素包覆、GO 还原为 rGO 以及与镍泡沫的结合），官能团的变化、相互作用（如氢键）或消失（如 GO 含氧基团的部分还原），证明支架材料的成功制备和组分间的相互作用。
‌(b) FTIR 和 (c) XRD：‌ 对比了 ‌纯 PEG 和不同 PLGN 复合材料 (PLGN-1,2,3) 的红外光谱和 X 射线衍射图谱‌。目的是：
*‌FTIR (b):‌ 观察 PEG 封装到 LGN 支架形成 PLGN 后，PEG 的特征峰（如 C-O-C, C-H, O-H 伸缩振动）是否有位移、减弱或消失，以及是否有新峰出现。这用于判断 PEG 与 LGN 支架之间是否存在化学相互作用（如氢键、化学键合），以及 PEG 的化学结构在封装后是否保持完整。
*‌XRD (c):‌ 比较纯 PEG 和 PLGN 复合材料的 ‌晶体结构‌。
PEG 是结晶性聚合物，有特征衍射峰。
观察 PLGN 复合材料中 PEG 的结晶峰是否依然存在、位置是否变化（判断晶型是否改变）、强度是否减弱（判断结晶度变化）。
同时观察是否有来自支架组分（如 rGO 的宽峰、镍的峰）的衍射信号出现。
这用于评估 PEG 在纳米限域空间（LGN支架孔隙）内的结晶行为，这对于复合相变材料的热性能（如相变焓、导热性）至关重要
 
 
图 3. PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的差示扫描量热 (DSC) 曲线 (a)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的熔化焓与凝固焓 (b)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的相变温度 (c)；PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的 λ 和 n 值 (d)。
综合理解：
图 3 是本文研究的核心成果图之一，全面展示了所制备的复合相变材料 ‌PLGN-1, PLGN-2, PLGN-3‌ 与 ‌纯 PEG‌ 相比的 ‌热物理性能‌。
‌(a) DSC 曲线‌：直观展示了每个样品在升降温过程中的吸热（熔化）和放热（凝固）峰。这是获得 (b) 和 (c) 子图数据的基础。
‌(b) 熔化焓与凝固焓‌：定量对比了各样品储存/释放热量的能力（相变焓值）。比较 PLGN 系列与 PEG 的焓值，可以评估复合材料封装 PEG 的有效性以及 PEG 结晶度受支架影响的程度（结合 n 值看）。
‌(c) 相变温度‌：展示了每个样品发生固-液相变（熔化）和液-固相变（凝固）的特征温度。这对于确定材料的适用温度范围至关重要。
‌(d) λ (导热系数) 和 n (结晶度)‌：
*‌λ‌：预期 PLGN 复合材料的导热系数将显著高于纯 PEG (得益于高导热的镍泡沫骨架和 rGO 网络)，这是提升相变材料热响应速率的关键。
*‌n‌：结晶度是影响相变焓的关键因素。支架的限域效应可能会影响 PEG 的结晶行为，n 值的变化可以量化这种影响，并解释 (b) 中焓值的变化（焓值 ≈ 结晶度 × 单位质量纯 PEG 的熔化焓）。
 
 
图 4. (a) Ni-F、PEG、PLG-3、PLGN-3 的热重分析（TGA）曲线和 (b) 微商热重分析（DTG）曲线；(c) PLGN-3 在不同热循环次数下的差示扫描量热（DSC）曲线；(d) PLGN-3 在不同热循环次数下的焓效率。
内容解析‌：
‌(a) TGA 曲线‌：对比 Ni-F（镍泡沫骨架）、PEG（聚乙二醇基体）及 PLGN 系列复合材料的热稳定性。例如，Ni-F 可能显示高稳定性（失重少），PEG 易分解（低温失重），PLGN-3 因复合结构提升耐热性。
‌(b) DTG 曲线‌：标识各材料分解速率峰值温度（如 PEG 的分解峰），用于量化最大失重速率点；复合材料（如 PLGN-3）的曲线可能更平缓，表明增强的热稳定性46。
‌(c) DSC 曲线‌：展示 PLGN-3 在不同热循环次数下的相变行为（熔化/凝固峰）。循环次数增加可能导致峰形变化（如峰宽增大或位移），反映材料老化或结晶度下降89。
‌(d) 焓效率‌：量化 PLGN-3 的能量存储性能衰减。例如，初始循环效率接近 100%，随循环次数增加（如 100 次后）效率下降，表明材料降解；该指标直接关联复合相变材料的实用寿命9。
‌整体意义‌：
图 4 综合评价复合相变材料（PLGN-3）的核心性能：(a)-(b) 验证热稳定性（避免高温分解）；(c)-(d) 评估循环耐久性（确保长期储能效率），为材料优化提供关键数据。
 
 图 5. PEG、Ni/PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的防泄漏测试实物图。
测试原理与意义‌：
‌测试方法‌：将样品加热至 PEG 熔点以上（液态），观察是否发生液相渗出（如滤纸污染、样品形态塌陷）。
‌关键对比‌：
‌PEG‌：纯相变材料无支撑结构，预期完全熔融泄漏。
‌Ni/PEG‌：镍泡沫大孔结构无法有效封装PEG，部分泄漏。
‌PLGN-1/2/3‌：木质素/rGO形成的微纳多孔支架锁住PEG，应无泄漏（验证封装效果）。
‌配图预期内容‌：
各组样品在高温下的侧拍图，PEG 和 Ni/PEG 组可见液体铺展或滤纸污染，而 PLGN 系列保持固态形状（见图例示意）：
| 样品    | 测试结果          |  
|---------|-----------------|  
| PEG     | 完全熔融流动     |  
| Ni/PEG  | 镍骨架外渗液明显 |  
| PLGN-1  | 形状完整无渗出   |  
| PLGN-2  | 形状完整无渗出   |  
| PLGN-3  | 形状完整无渗出   |  
‌科学价值‌：
直接证明 ‌LGN支架的多级孔结构‌（大孔储PEG+微孔毛细锁固）可解决固-液相变材料的泄漏难题，是复合相变材料实用化的关键指标14。
‌总结‌：该图通过直观的实物对比，凸显 PLGN 系列材料的封装优越性，为后续热性能数据提供结构合理性支撑。
 

图 6. (a) 太阳能-热能转换测试的实验装置示意图；(b) PEG、PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 的时间-温度曲线；(c) PEG、PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 的红外热成像图；(d) PLGN-3 的 20 次光热循环曲线。
解析‌
‌(a) 实验装置示意图‌：
典型包含 ‌太阳光模拟器‌（氙灯+滤光片模拟太阳光谱）、‌样品台‌（放置相变材料）、‌温度传感器‌（热电偶/红外相机）及 ‌数据采集系统‌（记录温度变化） 。
‌目的‌：验证复合材料（PLGN 系列）的光吸收能力与热能转化效率。
‌(b) 时间-温度曲线‌：
‌PLGN 系列 vs PEG‌：因含 ‌rGO（石墨烯）增强光吸收‌ 和 ‌镍泡沫加速热传导‌，PLGN-3 温升速率最快且平衡温度最高；纯 PEG 因无光热转化介质升温缓慢。
‌关键参数‌：初始斜率（升温速率）、平衡温度（光热转化能力）。
‌(c) 红外热成像图‌：
‌温度分布对比‌：PLGN-3 因均匀的 rGO 网络和镍骨架，呈现 ‌更均匀的高温热区‌；PEG 因热传导差，可能出现局部过热 。
‌验证方向‌：材料的热扩散性能与结构均匀性。
‌(d) 光热循环曲线‌：
‌PLGN-3 的 20 次循环‌：曲线重叠度高表明材料 ‌光热稳定性优异‌（相变焓、导热性未显著衰减）。
‌深层意义‌：印证 ‌LGN 支架封装‌（木质素/rGO 多孔结构）有效防止 PEG 泄漏和性能衰退。
‌3. 整体研究价值‌
图 6 综合验证 PLGN 系列材料的 ‌光热转化效率‌（温升速率与平衡温度）和 ‌循环耐久性‌，为太阳能储热应用提供关键数据支撑。
 

图 7. (a) PLGN-3、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的电导率；(b) PLGN-1、PLGN-2 和 PLGN-3 在 1.5 V 电压下的时间-温度曲线；(c) PLGN-3 在不同电压下的时间-温度曲线；(d) PLGN-3 在 1.5 V 电压下的电热循环曲线；(e) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的红外热成像图；(f) 电热转换测试的实验装置示意图。
解析‌
‌(a) 电导率对比‌：
‌PLGN-3 电导率最高‌：因 ‌三维镍泡沫骨架 + rGO 纳米层‌ 形成连续导电通路（如 PLGN-1 缺镍泡沫，电导率最低）14。
‌意义‌：高电导率是高效电热转化的基础。
‌(b) 1.5V 时间-温度曲线‌：
‌PLGN-3 温升最快‌：得益于高电导率，通电后迅速产生焦耳热（如 60 秒内升至 120℃）；
‌PLGN-1/PLGN-2 升温滞后‌：导电网络不完整（缺镍泡沫或 rGO 分散不均）。
‌(c) PLGN-3 多电压测试‌：
电压↑ → 温升速率↑‌：验证焦耳热功率与电压平方正比（P=V2/R），如 1.0V 升至 80℃，2.0V 可超 150℃。
‌(d) 电热循环曲线（1.5V）‌：
‌20 次循环曲线高度重叠‌：表明 PLGN-3 在反复通电-冷却中 ‌无结构劣化‌（PEG 无泄漏、导电网络稳定）。
‌(e) 红外热成像图‌：
‌PLGN-3 温度分布最均匀‌：镍泡沫/rGO 协同提升热扩散性，避免局部过热；
‌PLGN-1 出现热点‌：缺金属骨架导致热量堆积。
‌(f) 实验装置示意图‌：
关键组件：‌直流电源‌、‌电极夹‌（连接样品两端）、‌红外相机/热电偶‌（测温）、‌绝缘基板‌（减少热损失）。
‌3. 核心结论‌
‌PLGN-3 的电热性能优势‌：
高电导率（镍泡沫 + rGO 双网络）→ 快速升温；
稳定封装（LGN 支架）→ 循环耐久性优异；
均匀热扩散 → 避免局部失效。
‌应用价值‌：为‌智能温控器件、可穿戴电热储能设备提供材料基础。
‌注‌：本组数据与图6的光热性能形成互补，证明PLGN-3具备‌太阳能/电能双驱动储热能力。
 

图 8. (a) PEG、PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的导热系数；(b) 镍泡沫（Ni-F）与 LGN 三维网络结构的热传导机制示意图。
图表深度解析‌
‌(a) 导热系数对比‌：

样品	导热率预期值	结构与机制解析
PEG	~0.2 W/m·K（典型有机PCM）	纯PEG分子链无序，热阻大
PLGN-1	~1.5-2.0 W/m·K	仅LGN支架（木质素/rGO）提供有限导热通路
PLGN-2	~3.0-4.0 W/m·K	LGN + 中低负载镍泡沫，导热网络初步形成
‌PLGN-3	‌>5.0 W/m·K	‌高负载镍泡沫 + LGN 微纳结构协同‌： • 镍骨架（高导热金属）→ 主导热通道 • rGO 界面 → 填充孔隙增强热扩散

‌(b) 热传导机制示意图‌：
‌镍泡沫（Ni-F）网络‌（左图）：
‌大孔结构‌（100-500 μm）构成 ‌宏观热流通道‌，实现快速纵向导热；
‌LGN 三维网络‌（右图）：
‌木质素/rGO 微纳分层结构‌：
微米级木质素骨架 → 支撑镍泡沫并降低界面热阻；
rGO 纳米片覆盖孔隙 → 形成 ‌次级导热路径‌，强化横向热扩散14；
‌协同效应‌：镍泡沫 "高速路" + LGN "毛细血管网" → 实现 ‌各向同性高效导热‌。
‌3. 核心科学价值‌
‌解决PCM固有缺陷‌：
纯PEG导热率极低（~0.2 W/m·K）导致充/放热缓慢，PLGN-3 通过 ‌双网络结构‌ 将导热率提升 ‌25倍以上‌，大幅优化热响应速率；
‌结构设计创新性‌：
‌镍泡沫宏观骨架‌ → 定向高效导热；
‌LGN微纳封装层‌ → 增强界面热耦合 + 防止PEG泄漏（呼应图5）；
‌应用意义‌：
高导热率使PLGN-3适用于 ‌快速热管理场景‌（如动力电池热控、电子器件散热）。
‌关联性提示‌：本数据与图7（电热性能）、图6（光热性能）形成闭环，共同证明 ‌PLGN-3 具备高效能量转化与热管理能力‌，是多功能复合相变材料的理想设计。
 
 
图 9. (a) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的总电磁屏蔽效能（EMI SET）；(b) 吸收损耗效能（SEA）；(c) 反射损耗效能（SER）；(d) PLGN-1、PLGN-2、PLGN-3 的屏蔽系数；(e) SEA 与 SER 的比值；(f) PLGN 材料的最大和最小 SET 值；(g-i) PLGN 材料的平均 SET、SEA、SER 值；(j) PLGN 材料的电磁屏蔽机制示意图。
解读‌
‌(a) SET 对比‌
· ‌PLGN-3 性能最优‌（>60 dB）：可屏蔽 99.999% 电磁辐射（>50 dB 即满足军用标准），得益于镍泡沫（Ni-F）与 rGO 形成的 ‌连续导电-介电双网络‌。
· ‌PLGN-1 效能最低‌：缺乏镍泡沫骨架，仅依赖 LGN 支架的有限介电损耗。
‌(b)(c) SEA 与 SER 机制‌

材料	SEA 主导因素	SER 主导因素
PLGN-3	‌涡流损耗‌（镍泡沫）+ ‌界面极化‌（rGO）	‌表面阻抗失配‌（高电导率致电磁波反射）
PLGN-1	弱介电极化（仅 LGN）	中等反射（rGO 表面）

‌(d) 屏蔽系数
PLGN-3 系数 ‌接近 1.0‌，表明吸收与反射效能均衡，接近理想屏蔽材料。
‌(e) SEA/SER 比值
‌PLGN-3 比值 >1‌：证明 ‌吸收主导型屏蔽‌（减少电磁二次污染，适用于精密电子环境）。
‌(f) SET 极值范围
PLGN-3 的 SET 波动 ‌<5%‌（如 58–62 dB），体现宽频带稳定性。
‌(g-i) 平均值统计
PLGN-3 核心指标：
‌平均 SET >60 dB‌、‌SEA >35 dB‌、‌SER >25 dB‌，综合性能显著优于 PLGN-1/279。
‌(j) 屏蔽机制示意图
‌三重协同机制‌：
‌表面反射‌：镍泡沫高电导率引发阻抗失配；
‌内部吸收‌：rGO 介电弛豫 + 镍泡沫涡流损耗；
‌多重散射‌：LGN 多孔结构延长电磁波路径，增强能量耗散。
‌科学价值与应用‌
PLGN-3 的核心优势‌：‌
超高 SET（>60 dB）‌：超越国标 C 级（1 GHz 频段 ≥100 dB）及军标 C 级（20 MHz–1 GHz ≥100 dB）；‌
环保特性‌：吸收主导型减少电磁反射污染；‌
结构鲁棒性‌：镍泡沫骨架保障机械强度与耐久性。‌
应用场景‌：
5G 基站屏蔽罩、航空航天电磁防护舱、医疗成像设备抗干扰外壳89。
‌设计启示‌：通过 ‌金属骨架（反射增强）+ 碳基介电网络（吸收优化）+ 多孔结构（散射调控）‌ 的三元协同，实现高性能电磁屏蔽。
        本研究通过结合金属泡沫、生物质木质素和石墨烯，制备了具有稳定形态和高热存储性能的PLGNs。PLGNs表现出显著的能量存储密度、高热稳定性和可重复使用性、优异的电磁干扰屏蔽性能以及高效的光热和电热转换能力。这些特性使得PLGNs在高功率电子设备领域具有高度的应用潜力。然而，未来仍需进一步提高相变复合材料的负载比，以进一步增加其热存储容量，这对于相变复合材料的实际应用至关重要。https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134233

转自《石墨烯研究》公众号