一、研究背景

在以不同方式利用自然资源进行能源生产时，设计和发展有效的方法和技术，并意味着负责任地使用这些方法和技术，已成为过去几年最关键的目标之一。目前的人口状况及其对生态系统的有害影响是全球气候变化的结果，这突出表明需要开发技术和设备，以优化以发电为目的的自然资源的利用，并适当和负责任地管理相应的副产品和残留物。解决这些问题是一项高度相关的任务，因为我们和所有生物的生存都依赖于此。基于它的供暖和发电系统的有效管理涉及物理，材料科学和工程中最重大的挑战之一。目前，各种类型的材料具有可调的传输特性，旨在控制加热过程已被报道

外加电场在复合材料内部产生电流，由于电子与内含物形成的结构发生碰撞，电子的动能通过焦耳效应转化为热量。焦耳效应是一种众所周知的现象，在许多应用中都有应用，从最简单的电加热器到复杂的热装置的组装。在碳纳米结构方面，研究表明，当施加足够高的电场时，在短时间内达到高温，可以将连接电极的纳米结构石墨化并连接起来，这有助于在电弧放电合成方法中形成二维和三维碳结构。此外，还报道了它们在固定位点缺陷方面的应用，利用电场引起的排列来控制氧化石墨烯的质地并操纵其纤维的输运特性。

焦耳热效应还有助于改善以覆盖炭黑的泡沫为基础的净水发电系统中的水蒸发。这些系统利用阳光，目标是在黑暗条件下工作。在碳-碳复合材料和碳纤维系统中，低电压下的焦耳加热以及光热蒸发可以提高界面蒸发速率。焦耳加热也有助于控制脱水速度，在生物固体处理具有足够高的能源效率。此外，文献中也有报道称，焦耳效应可用于由导电超疏水和光滑润滑剂浸渍多孔表面组成的高效除霜系统，以主动减少结霜。

在这项工作中，我们报告了分散在乙二醇中的碳纳米纤维的热学和电学行为，乙二醇是一种复合流体，当施加交流电场时诱导碳纳米纤维排列。我们测试了不同时期施加于不同碳纳米纤维浓度的不同电场值。使用红外热像仪监测温度，并使用传统的串行电路电测量方法进行电响应。我们的研究结果显示了这些复合分散体以一种快速和可控的方式产生热量的能力，以及如何调节流体的导热性。在热控制或产生至关重要的应用中，这些流体是一种很有前途的热管理工具。实施系统的灵活性以及通过填料浓度和施加电压值调整热性能和产热的可行性使该复合材料成为快速加热系统的潜在候选者，特别是在寒冷气候下的除冰过程中。与传统方法相比，所建议的系统和所涉及的过程也意味着环境足迹的显著减少。

二、摘要

从环境和经济的角度来看，有效利用供暖系统是必要的。本文分析了恒定交流电场作用下分散在乙二醇中的碳纳米纤维的焦耳效应和热输运特性。我们测试了从0.1%到1%重量分数浓度的碳纳米纤维。分析了温度和电流随时间的变化规律。利用焦耳定律方程对产生的热量进行了量化，并估计了热导率作为电压施加前后浓度的函数。研究了温度升高与纳米碳纤维浓度和电压的关系。我们的工作探索了将分散在乙二醇中的纳米碳纤维用于开发智能流体的可行性，该流体可用于热生成和释放，并可应用于热管理系统，例如用于除冰的系统。

三、结论

在这项工作中，我们提出了一项研究，研究了碳纳米纤维（CNFs）在极性液体（如乙二醇）中交变电场的影响下如何排列，从而导致液体内快速均匀的温度升高。这种排列有利于形成增强电荷输运的结构，允许通过焦耳效应有效地提高温度。产生的热量与施加电压和施加时间成正比，表明CNFs浓度和电场强度对系统的热行为起着至关重要的作用。我们的研究结果强调，在0.5% CNF浓度和40 V电压的应用下，可以实现最佳的热控制，确保系统快速达到热平衡。我们还观察到，由于过度的CNFs纠缠，1% wt浓度限制了热传递。该系统显示出显著的电热性能，其产热与施加电压及其应用时间成正比。流体复合材料的导热性也随着合成的CNFs排列而改善。CNFs分散体的独特能力，有效地将电能转化为热能，使这些系统成为关键系统和表面除冰和温度调节的有前途和可持续的解决方案，为传统方法提供了节能和环保的替代方案。

图1.a)在不同时段施加恒定电压的实验装置示意图；b)测量温度和分析热性能的实验装置示意图

图2.a)对准和非对准CNFs分散体的导热系数，b) 0.1% wt下不同时间样品的图片。对排列的内含物的稳定性进行了长达3天的监测。