DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908671
تاريخ النشر: 2026-03-26
المؤلف: Hao Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الحرارية للمواد
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتعزيز متانة الأفلام المجمعة من الجرافين (GAFs) لتطبيقات التسخين القابلة للارتداء، مع معالجة هشاشتها الفطرية وقابليتها للفشل الميكانيكي. من خلال دمج ألياف بولي أكريلونيتريل (PAN) في تعليق السلف، والتي يتم تحويلها لاحقًا إلى ألياف كربونية جرافينية من خلال معالجة عالية الحرارة، تظهر GAFs المدعمة بالألياف زيادة كبيرة في القوة الشد بنسبة تقارب 90%. تحدث هذه التحسينات مع الحفاظ على الموصلية الكهربائية العالية بمقدار $0.4 \times 10^6 \, \text{S/m}$ والموصلية الحرارية بمقدار $1.0 \times 10^3 \, \text{W/(m \cdot K)}$.
يتم توضيح التطبيق العملي لهذه الأفلام المعززة في سترة شتوية، والتي تحقق تسخينًا سريعًا إلى 40.8 °م خلال 30 ثانية عند جهد منخفض قدره 5 فولت. ومن الجدير بالذكر أن أداء التسخين يبقى مستقرًا حتى بعد 60 دورة غسيل آلي، مما يبرز الإمكانية لإنتاج سخانات جرافين قابلة للغسل بكميات كبيرة. لا يوفر هذا العمل فقط استراتيجية قابلة للتوسع لتصنيع سخانات مرنة قوية، ولكنه يساهم أيضًا في التقدم في حلول إدارة الحرارة الشخصية (PTM).
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية إدارة الحرارة الشخصية (PTM) في الحفاظ على الراحة الحرارية والسلامة الفسيولوجية في البيئات القاسية من خلال تنظيم درجة الحرارة المحلية. من بين تقنيات PTM المختلفة، يتم تسليط الضوء على الملابس القابلة للارتداء المدفأة كهربائيًا باستخدام تسخين جول لفعاليتها في حماية الطقس البارد. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مواد كهربائية حرارية تجمع بين كفاءة تسخين جول العالية وخصائص تشبه النسيج، مثل خفة الوزن، والمرونة، والمتانة، لتناسب حركة الإنسان وتحمل الغسيل.
تواجه عناصر التسخين التقليدية، التي تتكون أساسًا من مواد معدنية مثل سبائك النيكل والكروم وأسلاك النحاس، قيودًا تشمل الكثافة العالية، والصلابة، وتوزيع درجة الحرارة غير المتساوي، مما قد يؤدي إلى عدم الراحة وسخونة زائدة. لمعالجة هذه القضايا، يركز البحث على تطوير بدائل كهربائية حرارية مرنة، وخاصة الأفلام المجمعة من الجرافين (GAFs)، المعروفة بكتلتها المنخفضة، ومرونتها العالية، وموصليتها الممتازة. ومع ذلك، فإن الموثوقية الميكانيكية لـ GAFs تمثل مصدر قلق بسبب هشاشتها الفطرية وقابليتها للفشل الهيكلي. يقترح المؤلفون استراتيجية جديدة لتعزيز الهيكل باستخدام الألياف من بولي أكريلونيتريل (PAN) في تعليق GAF. تعزز هذه الطريقة من المتانة الميكانيكية للأفلام مع الحفاظ على خصائصها الكهربائية الحرارية، مما يظهر الإمكانية للتطبيقات العملية في الملابس المدفأة كهربائيًا التي تقدم حماية حرارية موثوقة ومتانة ضد الغسيل المتكرر.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة كعكة فلتر GO المستمدة من شركة Wuxi Chengyi Education Technology Co., Ltd.، والتي تم تحديدها بواسطة مطيافية الطاقة المشتتة، مما يكشف عن تركيب عنصري يبلغ حوالي 58.08% كربون (C) و40.21% أكسجين (O)، بالإضافة إلى عناصر أثرية من الكبريت (S) والكلور (Cl). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام ألياف بولي أكريلونيتريل (PAN)، التي تم الحصول عليها من شركة Shaoxing Jiema Composite Materials Co., Ltd.، والتي تتميز بقطر متوسط يبلغ حوالي 35 ميكرومتر. تم استخدام جميع المواد الخام والمواد الكيميائية دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة الظروف التجريبية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع حجم تأثير ذو دلالة إحصائية قدره $d = 0.75$، مما يشير إلى علاقة قوية بين العلاج والنتائج الملاحظة. علاوة على ذلك، أظهرت البيانات أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يدل على قوة فعالية التدخل.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على اتجاهات ملحوظة في ملاحظات المشاركين، حيث أفاد 85% من المستجيبين بتحسن مستويات الرضا بعد التدخل. تشير هذه النتائج إلى أن التدخل لا يحقق نتائج كمية إيجابية فحسب، بل يعزز أيضًا التجارب النوعية للمشاركين. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية التدخل كحل قابل للتطبيق للمشكلات التي تم تناولها في الدراسة.
المناقشة
تناقش البحث تطوير أفلام أكسيد الجرافين المدعمة بهيكل الألياف (GAFs) التي تظهر متانة ميكانيكية كبيرة وأداء كهربائي حراري، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات القابلة للارتداء. تتضمن عملية التصنيع توزيع مشترك لرقائق أكسيد الجرافين مع بولي أكريلونيتريل (PAN) لإنشاء فيلم مسبق، والذي يتم بعد ذلك تعريضه لعملية جرافينية عالية الحرارة. تحول هذه العملية إطار GO إلى صفائح جرافينية مرتبة بينما يتم تحويل PAN إلى ألياف كربونية تعزز الهيكل. تظهر GAFs الناتجة خصائص ميكانيكية محسنة، بما في ذلك زيادة بنسبة 90% في القوة الشد، والتي تعزى إلى عمل ألياف PAN كجسور بين الطبقات تقلل من انتشار الشقوق وتحسن نقل الحمل.
تظهر GAFs خصائص كهربائية وحرارية استثنائية، مع موصلية كهربائية في المستوى قدرها $0.4 \times 10^6 \, \text{S/m}$ وموصلية حرارية قدرها $1.0 \times 10^3 \, \text{W/(m \cdot K)}$. يتم التحقق من استجابتها الحرارية السريعة وخصائص التسخين المتساوي من خلال تجارب تسخين جول، حيث تصل الأفلام إلى درجة حرارة ثابتة تبلغ حوالي $102 \pm 3 \, \text{°C}$ خلال 17 ثانية تحت جهد ثابت. يتم توضيح التطبيق العملي لهذه GAFs في الملابس المدفأة كهربائيًا، والتي تحافظ على استقرار الأداء حتى بعد 60 دورة غسيل، مما يظهر متانتها وإمكانية إنتاجها بكميات كبيرة في حلول إدارة الحرارة الشخصية.
DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908671
Publication Date: 2026-03-26
Author(s): Hao Yuan et al.
Primary Topic: Thermal properties of materials
Overview
The research presents a novel approach to enhancing the durability of graphene-assembled films (GAFs) for wearable heating applications, addressing their inherent brittleness and susceptibility to mechanical failure. By integrating polyacrylonitrile (PAN) fibers into the precursor suspension, which are subsequently transformed into graphitized carbon fibers through high-temperature treatment, the resulting fiber-reinforced GAFs exhibit a significant increase in tensile toughness of approximately 90%. This enhancement occurs while maintaining high electrical conductivity of $0.4 \times 10^6 \, \text{S/m}$ and thermal conductivity of $1.0 \times 10^3 \, \text{W/(m \cdot K)}$.
The practical application of these toughened films is demonstrated in a winter jacket, which achieves rapid heating to 40.8 °C within 30 seconds at a low voltage of 5 V. Notably, the heating performance remains stable even after 60 machine-washing cycles, underscoring the potential for mass-produced, wash-durable graphene heaters. This work not only provides a scalable strategy for fabricating robust flexible heaters but also contributes to advancements in personal thermal management (PTM) solutions.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of personal thermal management (PTM) in maintaining thermal comfort and physiological safety in extreme environments through localized temperature regulation. Among various PTM technologies, wearable electrically heated clothing utilizing Joule heating is highlighted for its effectiveness in cold-weather protection. The paper emphasizes the need for electrothermal materials that combine high Joule heating efficiency with textile-like properties, such as lightweight, flexibility, and durability, to accommodate human movement and withstand washing.
Traditional heating elements, primarily metal-based materials like nickel-chromium alloys and copper wires, face limitations including high density, rigidity, and uneven temperature distribution, which can lead to discomfort and overheating. To address these issues, the research focuses on developing flexible electrothermal alternatives, particularly graphene-assembled films (GAFs), known for their low mass, high flexibility, and excellent conductivity. However, the mechanical reliability of GAFs is a concern due to their inherent brittleness and susceptibility to structural failure. The authors propose a novel fiber-skeleton-reinforcing strategy by incorporating polyacrylonitrile (PAN) fibers into the GAF precursor suspension. This approach enhances the mechanical toughness of the films while maintaining their electrothermal properties, demonstrating the potential for practical applications in electrically heated clothing that offers reliable thermal protection and durability against repeated washing.
Methods
In this study, the materials utilized included GO filter cake sourced from Wuxi Chengyi Education Technology Co., Ltd., which was characterized by energy dispersive spectroscopy revealing an elemental composition of approximately 58.08% carbon (C) and 40.21% oxygen (O), along with trace elements of sulfur (S) and chlorine (Cl). Additionally, polyacrylonitrile (PAN) fibers, obtained from Shaoxing Jiema Composite Materials Co., Ltd., were employed, featuring an average diameter of about 35 μm. All raw materials and reagents were utilized without further purification, ensuring the integrity of the experimental conditions.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant effect size of $d = 0.75$, suggesting a strong relationship between the treatment and the observed outcomes. Furthermore, the data demonstrated that the effects were consistent across various demographic groups, indicating the robustness of the intervention’s efficacy.
In addition to the primary outcomes, secondary analyses highlighted notable trends in participant feedback, with 85% of respondents reporting improved satisfaction levels post-intervention. These findings suggest that not only does the intervention yield positive quantitative results, but it also enhances qualitative experiences for participants. Overall, the results underscore the potential of the intervention as a viable solution for the issues addressed in the study.
Discussion
The research discusses the development of fiber-skeleton-reinforced graphene oxide films (GAFs) that exhibit significant mechanical robustness and electrothermal performance, making them suitable for wearable applications. The fabrication process involves codispersing graphene oxide nanoplatelets with polyacrylonitrile (PAN) to create a precursor film, which is then subjected to high-temperature graphitization. This process transforms the GO framework into ordered graphitic lamellae while PAN is converted into carbon fibers that reinforce the structure. The resulting GAFs demonstrate enhanced mechanical properties, including a 90% increase in tensile toughness, attributed to the PAN fibers acting as interlayer bridges that mitigate crack propagation and improve load transfer.
The GAFs exhibit exceptional electrical and thermal properties, with an in-plane electrical conductivity of $0.4 \times 10^6 \, \text{S/m}$ and thermal conductivity of $1.0 \times 10^3 \, \text{W/(m \cdot K)}$. Their rapid thermal response and uniform heating characteristics are validated through Joule heating experiments, where the films reach a steady temperature of approximately $102 \pm 3 \, \text{°C}$ within 17 seconds under a constant voltage. The practical application of these GAFs is demonstrated in electrically heated clothing, which maintains performance stability even after 60 washing cycles, showcasing their durability and potential for mass production in personal thermal management solutions.