石墨烯/N-甲基吡咯烷酮加熱膜的厚度對(duì)導(dǎo)電性能影響研究

杜衛(wèi)東，孫嘉豪

（黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

石墨烯是碳原子進(jìn)行sp2雜化形成的新型碳質(zhì)新材料，其單層厚度僅0.335nm[1]，具有高強(qiáng)度[2]、高導(dǎo)熱導(dǎo)電和化學(xué)惰性等特點(diǎn)，在電子、能源、化工、材料等領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK7，已超越碳納米管、石墨等碳同素異形體的極限，更遠(yuǎn)超銀和銅等金屬材料，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。此外，石墨烯作為新材料之王，石墨烯的載流子遷移率為15000，將其用于電熱領(lǐng)域，具有超薄便攜耐壓力、強(qiáng)韌性[3]、導(dǎo)電導(dǎo)熱快等特性，可以很好地解決發(fā)熱慢、耗電量大等問題，是取代傳統(tǒng)保暖采暖的完美新材料。此外石墨烯的電加熱的熱分布均勻，輻射大量紅外線，對(duì)促進(jìn)人體血液循環(huán)起到很好的效果，相比于其它的電加熱，石墨烯電加熱材料能大大提高電熱轉(zhuǎn)化[4]，因此，筆者通過對(duì)不同尺寸及厚度的石墨烯加熱膜進(jìn)行熱擴(kuò)散系數(shù)和電導(dǎo)率的測(cè)試，探究最佳實(shí)驗(yàn)值，以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原料：石墨烯/N-甲基吡咯烷酮漿體（2400ml，原料是黑龍江省石墨烯應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備，原料成分包括：蒸餾水含量為81.27%，N-甲基吡咯烷酮含量為12.63%，石墨烯含量為6.1%，量筒（50ml、100mL），基體材料選用酚醛塑料（2200mm×1300mm×2.903mm），導(dǎo)線若干，銅膜墊片（厚度：0.01mm），絕緣膠布，砂紙（60目、150目）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

耐馳LFA427激光導(dǎo)熱儀，透射電子顯微鏡(JEM－1400Flash)，四探針探針測(cè)試儀（KTS-4），可調(diào)電壓供電電源（U=0～36V），工業(yè)紅外測(cè)溫儀（AT380），熱熔膠槍（100w，GT-10），紅外溫度熱成像儀（ZH-CN），萬(wàn)用表（UT39C），螺旋測(cè)微器（三兩數(shù)顯千分尺），X射線衍射儀（DX-27），掃描電子顯微鏡(SIGMA － 500)。

1.3 電加熱薄膜制作工藝過程

采用漿料干燥法制備石墨烯加熱薄膜。首先對(duì)基底材料進(jìn)行預(yù)處理，增加其表面的粗糙度（Ra25），使得基底材料利于漿料粘附于基底材料，將酚醛塑料按照規(guī)定好的尺寸進(jìn)行劃分，然后再每個(gè)規(guī)定尺寸之間用熱熔膠進(jìn)行塑封邊界。將配置好的水基石墨烯/N-甲基吡咯烷酮復(fù)合材料薄膜漿料；用按照規(guī)劃的（規(guī)格尺寸大小，表1）燒杯稱取后，注入劃分好的尺寸“格子”中。在60℃的烘干箱中烘干，得到固定尺寸大小的水基石墨烯/N-甲基吡咯烷酮復(fù)合材料薄膜，在干燥環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、特定溫度的環(huán)境下干燥15h后。得到諸如圖1等電加熱薄膜。

表1 漿料薄膜尺寸和對(duì)應(yīng)尺寸漿料用量

圖1 電加熱薄膜 例：100mm×515mm

圖2 石墨烯的SEM照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石墨烯SEM表征

圖2給出了原料中石墨烯粉末的SEM圖像，圖像顯示少層的石墨烯存在卷曲和褶皺，粒徑小于10μm。

2.2 石墨烯XRD表征

圖2給出了原料中石墨烯粉末的XRD衍射圖譜，可以看出相對(duì)強(qiáng)度I=364,2θ=28.48°。根據(jù)布拉格方程，波長(zhǎng)取可計(jì)算出原料中石墨烯的厚度為0.036nm，與標(biāo)準(zhǔn)的碳原子厚度相差無(wú)幾，因此所選用的石墨烯質(zhì)量較高。

2.3 石墨烯的HRTEM表征

圖2給出了石墨烯原料中石墨烯的HRTEM表征圖像，圖中石墨烯的片層相互疊加在一起，可以看出原料中的石墨烯層數(shù)大部分在3層以下，厚度小于3nm。

2.4 石墨烯電加熱膜的熱學(xué)表征

將石墨烯電熱膜接入電路后，然后將對(duì)應(yīng)的每一個(gè)試樣接36V直流供電源，發(fā)現(xiàn)電源，分別供電30s，然后用紅外溫度熱成像儀（ZH-CN）進(jìn)行熱學(xué)溫度成像，得到每個(gè)試樣對(duì)應(yīng)的熱學(xué)溫度。圖5給出了100mm×515mm石墨烯電加熱薄膜紅外成像的圖像。

圖3 石墨烯的透射照片

圖4 石墨烯的透射照片

圖5 電加熱薄膜紅外成像的圖像

2.5 厚度對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖6 不同條件下的的厚度-電導(dǎo)率曲線

圖 6給 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下的厚度對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率的變化曲線，可以看出，隨著厚度的增加，對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率也不斷增加，在0.01mm厚度以下總能出現(xiàn)較大的電導(dǎo)率，由此可以推測(cè)在0.01mm左右電加熱膜的導(dǎo)熱率最好，但是對(duì)于加熱膜的熱擴(kuò)散系數(shù)的變化而言并不是隨著厚度的減少而增加，證明對(duì)于0.01mm的加熱膜對(duì)于導(dǎo)電和導(dǎo)熱的綜合性能而言并不是最好。

2.6 石墨烯加熱膜的均溫和厚度的關(guān)系

圖 8給 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下不同厚度對(duì)應(yīng)的石墨烯加熱膜的均溫關(guān)系圖，由圖可以分析可知，石墨烯加熱膜的厚度對(duì)溫度有很大的影響，可以推測(cè)，溫度隨著厚度的增加而先增大后降低。所有試樣中，尺寸為125mm×1030mm的加熱膜對(duì)應(yīng)的均值溫度都比其他試樣的均溫高。

圖7 不同尺寸下的不同厚度對(duì)應(yīng)的加熱膜的平均溫度

3 結(jié)論

（1）石墨烯電加熱膜的電導(dǎo)率隨著厚度的增加而逐漸降低，從0.186mm到0.081mm的變化，電導(dǎo)率減少了10倍，在一定范圍內(nèi)，寬度和長(zhǎng)度的變化對(duì)加熱性能的變化影響很小。

（2）石墨烯電加熱膜的熱擴(kuò)散系數(shù)總是隨著石墨烯電導(dǎo)率的增加而先增大后減小，石墨烯加熱膜的試樣中熱擴(kuò)散系數(shù)的峰值往往出現(xiàn)在1×103(S/m)左右。

（3）石墨烯發(fā)熱膜的厚度對(duì)石墨烯發(fā)熱膜的平均溫度影響很大。綜合考慮到加熱和發(fā)熱性能，得到尺寸為125mm×1030mm×0.147mm，此時(shí)電導(dǎo)率為667S/m，熱擴(kuò)散系數(shù)為3.083m2/s，在36v的直流電壓下，加熱30s，溫度可以達(dá)到47℃。