学术研究报告：MXene增强SiC基复合相变材料实现导热性与机械强度的同步提升
一、研究团队与发表信息
本研究由南京航空航天大学能源与动力工程学院的Jianguo Wang、Xianglei Liu（通讯作者）等团队完成，合作单位包括工业和信息化部航空器热管理与能量利用重点实验室及机械结构力学与控制国家重点实验室。研究成果发表于期刊《decarbon》2023年第1卷（文章编号100005），发表于2023年4月27日。
二、学术背景与研究目标
相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其高能量密度和等温储能特性，在太阳能和废热利用领域具有重要潜力。然而，传统PCMs的低导热性（thermal conductivity）和机械脆性限制了其实际应用。尽管通过添加碳或金属填料可部分改善导热性，但高温下的填料团聚和材料腐蚀问题仍待解决。陶瓷基复合材料（如SiC）虽具有耐高温和化学稳定性，但其机械强度不足易导致相变过程中的结构失效。
本研究旨在通过引入二维材料MXene（Ti₃C₂Tₓ）协同增强多孔SiC基复合相变材料（Composite PCMs, CPCMs）的导热性与机械强度，并探究其在高性能热储能和太阳能转换中的应用潜力。
三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料处理：以SiC粉末（0.5–0.7 μm）、多层Ti₃C₂Tₓ（通过选择性蚀刻Ti₃AlC₂制备）为基体，添加Al₂O₃、Y₂O₃等烧结助剂，以无水乙醇为分散剂球磨混合。
- 多孔陶瓷成型：采用发泡法（foaming agent: C₁₈H₄₁NO₇S）制备孔隙率72.9%–86.0%的SiC骨架，通过1950℃氩气环境烧结4小时固化。MXene通过高温熔融表面氧化物（TiO₂）填充SiC晶粒间隙，优化热传输路径。
- 相变材料复合：将石蜡（paraffin, OP44E）在真空下浸渍至多孔骨架中，形成SiC-MXene/石蜡CPCMs。
表征与测试
太阳能热转换实验
UV-Vis光谱显示复合材料平均太阳吸收率达83.78%（图8b），在20 kW/m²辐照下可实现78.9%的光热存储效率（图8f）。
四、主要结果与逻辑关联
1. 导热性提升机制：MXene表面氧化物熔融填充晶界间隙，形成连续热通路（图2d），导热系数提升归因于声子传输优化（图4a）。
2. 机械增强机理：MXene通过“拔出效应”（pull-out）、裂纹偏转（crack deflection）和断裂模式转变（图6c–d）提高韧性。
3. 多功能性能验证：高导热性、机械鲁棒性和光热转换能力的结合，使材料适用于太阳能存储与高温热管理（图8d–e）。
五、研究结论与价值
该研究首次通过MXene掺杂实现了SiC基CPCMs导热性与机械强度的同步提升，其科学价值在于：
1. 材料设计创新：揭示了MXene在陶瓷基体中的双重作用机制（热传输与力学增强）。
2. 应用潜力：为间歇性可再生能源的高效存储提供了高性能材料解决方案，尤其适用于航空航天和太阳能电站等极端环境。
六、研究亮点
1. 突破性性能：在72.9%孔隙率下实现15.21 W/(m·K)的高导热性，同时机械强度显著提升。
2. 方法创新：开发了发泡法与MXene掺杂结合的陶瓷制备工艺，解决了传统PCMs的固有问题。
3. 多场景适用性：材料兼具热循环稳定性（1000次）和抗热震性（29次冷热冲击），覆盖太阳能与工业废热利用需求。
七、其他价值
研究还发现MXene掺杂可提高复合材料对太阳光的宽谱吸收（200–2000 nm），为光热-储热一体化器件设计提供了新思路（图8a–c）。