机械坚韧、柔韧且导电性的石墨烯纸，用于沥青路面的除冰和融雪

摘要：冬季路面上不可避免的积雪总是给交通系统带来麻烦。道路结冰和积雪问题仍有许多悬而未决的问题，因此，开发一种绿色、可靠、高效、安全的冰雪清洁方法有着巨大的需求。本文，兰州大学张强强教授团队在《Materials and Structures》期刊发表名为“Mech

成果简介

冬季路面上不可避免的积雪总是给交通系统带来麻烦。道路结冰和积雪问题仍有许多悬而未决的问题，因此，开发一种绿色、可靠、高效、安全的冰雪清洁方法有着巨大的需求。本文，兰州大学张强强教授团队在《Materials and Structures》期刊发表名为“Mechanically tough and superior Joule heating graphene-papers used for deicing and snow-melting of asphalt pavement”的论文，研究制备了一种机械韧性、柔性和高导电性的石墨烯纸（GP）。这种新型材料集机械坚固性和高导电性于一身，适用于自加热应用。

基于石墨烯纸显著的焦耳加热效应，将其作为高效的加热元件嵌入到乳化沥青路面板（APs）中，通过单独包装和统一集成的程序构建新型自加热系统。由于 GPs 的导电率高达 5300 S/m，因此可通过清洁能源（如太阳能、风能和潮汐能）提供热能，从而实现碳中和的目标。此外，AP 还能在零下 30°C 的极端温度条件下融化冰层，而不会损坏路面结构。此外，抗积雪能力也抵御了恶劣天气下的极端暴风雪。这种基于 GPs 的自加热路面在融雪和除冰方面都具有效率高、稳定性好、安全性高的优点。

图1、使用GP的自加热系统融雪示意图。

图2、独立式GP的制造过程示意图。

图3、 GPs 微观形态特征。

图4、结构和化学成分的表征。

图5、GP的机械性能。

图6、GPs的电学和热学特性。

图7、a Schematic configuration of asphalt pavement slab (APs) pavement structure used for deicing applications. b Temperature field distributions of system characterizing deicing processes for 15-mm-thick ice with 800 W/m2 heat flux under − 10°C ambient temperature, and c photographs of deicing process at different moments

图8、Anti-accumulation of snow application for APs pavement structure: a heated pavement at 1200 W/m2, b after artificially scattered snow for 30 min, and c temperature field distributions of system during anti-accumulation of snow process

小结

本报告成功制备了一种有效焦耳热、高导电性（5300 S/m）、良好柔韧性（极限拉伸应变 9.24%）和机械强度（拉伸强度约30.2 MPa，杨氏模量约 0.33 Gpa）的全石墨烯 GPs。此外，在多次自加热和自然冷却循环下，GPs 仍能保持稳定的结构和较高的导电性。GPs 由氧化石墨烯（GO）前体自组装而成，这是一种低成本策略。通过单独包装和统一集成的程序，用 GPs 构建了自加热系统。除冰研究发现，在零下 30 摄氏度的极端温度条件下，加热 45 分钟后冰开始融化，不会损坏路面结构。约 1 小时 12 分钟后，1.5 厘米厚的冰完全融化。融雪研究表明，在环境温度为 -5°C 和热通量密度为 1600 W/m2 的条件下，融雪速度可达 3.28 厘米/小时。此外，其抗积雪能力在极端暴风雪条件下也能抵御积雪。此外，GP 的电导率高达 5300 S/m，因此可以通过清洁能源（如太阳能、风能和潮汐能）提供热能，为实现碳中和目标做出贡献。不过，还需要进一步研究，以评估将这些清洁能源整合到实际应用中的可行性和效率，特别是在不同的环境和运行条件下。还需要注意的是，本研究中进行的室内和室外实验并未考虑动态交通负荷和长期运行条件的影响。因此，未来的研究将侧重于在实际交通负荷条件下进行现场实验，以全面评估系统的耐用性和可靠性。总之，本文报告的自加热系统可能会为路面融雪和除冰技术的发展带来新的机遇。

文献: