中國粉體網(wǎng)訊 我國幅員遼闊，擁有960萬平方公里的廣袤大地，涵蓋著寒溫帶直到熱帶的氣候條件，區(qū)域氣溫差異大，人口分布不均衡。我國北方（秦嶺～淮河線以北）地區(qū)地域遼闊、年平均氣溫低，國家為了解決冬季采暖問題，在人口密集的城鎮(zhèn)敷設(shè)了集中供暖管道，以滿足大面積、長時間的供暖需求；同時在我國南方如上海、南京、合肥等夏熱冬冷地區(qū)，一般沒有像北方城市一樣具有集中供暖設(shè)施，但該地域氣溫在當年12月到次年2月期間低至5℃以下，并且相對濕度高達70-80%。故在這樣的地區(qū)需要靈活時段短時間供暖，因此南方地區(qū)也依然存在區(qū)域性、短時間的供暖需求。
近日，走進江西九江市都昌縣金銘府小區(qū)，工人正在安裝石墨烯地暖，他們先將電熱膜拼接在一起，然后將其鋪在防水布上，最后鋪上地板，石墨烯地暖就安裝完成了。“石墨烯地暖發(fā)熱膜薄，電熱轉(zhuǎn)換效率高達99%，不僅節(jié)約能源，而且使用壽命長�！庇嘞壬鵁岷婧娴牡匕逍χf。石墨烯具有高導(dǎo)電、高紅外輻射等性能，成為高性能電熱膜的首選材料。
圖源：中國新聞網(wǎng)
石墨烯電熱膜發(fā)熱原理
在使用石墨烯搭接制作導(dǎo)電膜器件的過程中，石墨烯基團之間會由于分子間作用力或氫鍵互相搭接，從而因材料內(nèi)在肖特基勢壘的存在而產(chǎn)生接觸電阻。電熱膜通電后，石墨烯基團內(nèi)部電子在電場作用下產(chǎn)生定向移動，該過程中電子與石墨烯中的碳原子產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱，同時被加熱的電子產(chǎn)生光熱電壓和強烈的近電場，石墨烯吸收光并產(chǎn)生熱電子，形成光電流，實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化，促進紅外輻射熱的吸收并輻射遠波紅外。利用石墨烯高導(dǎo)熱性制成的電熱材料在理論上具有更低的耗電量和更好的熱均勻性，較好的柔韌性也為其應(yīng)用提供了保障。
石墨烯基電熱膜制備方法
石墨烯薄膜的制備方法按石墨烯初始物態(tài)可分為溶液成膜和化學(xué)氣相沉積法 (CVD)成膜兩大類。其中，溶液成膜類的方法有真空抽濾法、旋涂法以及自組裝法等，CVD成膜類的方法有常壓CVD法、等離子體輔助化學(xué)沉積法、激光輔助化學(xué)沉積法以及金屬有機化學(xué)沉積法等。
（1）真空抽濾法成膜
由于氧化石墨烯含有羧基、羥基等含氧官能團，故可以在水中穩(wěn)定懸浮形成懸浮液。真空抽濾法步驟一般如下：先將氧化石墨烯分散在水中形成穩(wěn)定懸浮液，接著對懸浮液進行離心處理以去掉雜質(zhì)，再加入水合肼等還原劑進行還原反應(yīng)制備石墨烯懸浮液。然后將制備好的石墨烯懸浮液在真空抽濾裝置中通過微孔濾膜過濾。在抽濾過程中，石墨烯片層先在濾膜表面均勻沉積而層層增厚。最后將載有薄膜的濾膜放入恒溫干燥箱內(nèi)烘干，揭下薄膜即制備完成。
（2）旋涂法成膜
旋涂法是利用旋轉(zhuǎn)的圓形基片使原液在基片上均勻鋪展從而制備薄膜的方法。制備手段是將石墨烯懸浮液滴在基片上，通電旋轉(zhuǎn)基片使懸浮液鋪展，干燥后可得到石墨烯薄膜。在制備過程中，調(diào)節(jié)基片旋轉(zhuǎn)速度或改變懸浮液濃度皆可改變膜的厚度。
（3）自組裝法成膜
自組裝法石墨烯薄膜包括靜電自組裝、LB自組裝以及氣/液界面自組裝等。靜電自組裝法(ESA)采用帶不同電荷的各個組分之間的靜電作用進行組裝。LB(Langmuir-Blodgett)膜自組裝法是將1:5的水-乙醇溶液倒入LB反應(yīng)槽內(nèi)，再將氧化石墨烯懸濁液鋪在液體表面，利用液面表面張力使石墨烯分子分散成膜，然后進行還原、烘干，得到高透明度石墨烯薄膜。實驗得出氣/液界面自組裝法制備過程更加可控，膜厚均勻，利用GO含氧官能團之間和片層之間的斥力，有效避免石墨烯團聚，可以得到更加均勻的石墨烯薄膜。
（4）CVD法成膜
化學(xué)氣相沉積 (CVD) 法的原料是氣態(tài)先驅(qū)反應(yīng)物，原理是氣態(tài)分子及原子間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使某些成分分解，在基體上形成膜。此類方法可細分為常壓CVD法、 等離子體輔助化學(xué)沉積、激光輔助化學(xué)沉積以及金屬有機化學(xué)沉積等。制備工藝如下：在硅片上沉積特定圖案的鎳層，隨后在1000℃的高溫下進行石墨烯沉積，然后在石墨烯表面沉積一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)，待膜層固化后采用蝕刻工藝去除掉膜層下方的鎳層，最后將石墨烯膜層轉(zhuǎn)移到目標基底上。CVD法所制備的石墨烯薄膜性能最好，但工藝復(fù)雜、制備條件苛刻且難以完美轉(zhuǎn)移到目標基底上，故很難工業(yè)化量產(chǎn)。
石墨烯地暖的優(yōu)點
石墨烯地暖相較于傳統(tǒng)暖氣優(yōu)勢明顯。在升溫速度上，石墨烯地暖升溫快，1小時左右可達設(shè)定溫度，傳統(tǒng)暖氣則需6 - 8小時；能源利用效率方面，石墨烯地暖電熱轉(zhuǎn)化效率達99%以上且能智能控溫，傳統(tǒng)暖氣熱量轉(zhuǎn)化效率低且難以精準調(diào)節(jié)；安裝與維護上，石墨烯地暖安裝簡便、厚度薄、后期基本無維護，傳統(tǒng)暖氣安裝復(fù)雜、耗時久且后期維護成本高；安全性方面，石墨烯地暖防水、防漏電、防腐蝕，傳統(tǒng)暖氣水管易腐蝕破裂；舒適度方面，石墨烯地暖以遠紅外輻射散熱有益健康，傳統(tǒng)暖氣空氣對流易致干燥。
綜上所述，石墨烯地暖無疑是供暖領(lǐng)域的一顆璀璨明星。它以高效的電熱轉(zhuǎn)換效率、快速的升溫能力、良好的安全性、環(huán)保性以及卓越的舒適度，為人們的生活帶來溫暖與便捷。在應(yīng)對我國多樣的氣候條件和不同的供暖需求時，石墨烯地暖展現(xiàn)出了極大的適應(yīng)性和發(fā)展?jié)摿Αo論是北方的長時間大面積供暖，還是南方區(qū)域性、短時間的供暖需求，石墨烯地暖都能成為理想的選擇。
參考來源：
中國新聞網(wǎng)，江西都昌石墨烯地暖“飛入尋常百姓家”
汪靖凱，石墨烯基電熱膜室內(nèi)采暖應(yīng)用研究
朱華等，石墨烯功能膜的研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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