石墨纳米片基复合膜的制备及其电热性能研究

发布时间：2020-01-27 20:43

【摘要】：随着社会的发展,电热材料越来越多的被应用到电热理疗、电热供暖等领域。传统的电热材料分为两大类:金属电阻丝(镍铬合金、铁铬铝合金)和陶瓷加热材料。金属电阻丝的缺点是密度大、容易氧化、热转换效率低、电磁辐射严重等。而且合金的可焊性差,损坏后很难修复。陶瓷加热材料的缺点是升温速度慢,且具有很大的脆性,抗振性能差。所以金属和陶瓷的这些缺点限制了它们在航空航天,电子电工,汽车,军工,医疗等行业的应用。因此研究柔韧性好、发热均匀、电热转换效率高等优点的新型电热材料具有非常重要的意义。本课题选择石墨纳米片作为导电填料与高分材料复合制备了柔性高导电复合膜,并对其电热性能进行探究。首先,对比水性聚氨酯(WPU)、羧甲基纤维素钠(CMC)、硅丙乳液(Si-Acr)三种高分子与石墨纳米片(GNP)复合制备复合膜的导电性、机械性能、防水性等。最终选用WPU作为粘结剂制备柔性导电复合膜。复合膜中GNP和WPU的比例为1:1,复合膜的抗拉强度为18MPa,电阻率为48.4mΩ·cm,复合膜在水中浸泡15min,电阻率仅增加0.8%。将复合膜连入到电路中进行热性能测试。复合膜的功率密度与电极间距、电极两端电压和复合膜方阻的关系为P_0=U~2/R_口L~2,而且功率密度与发热膜表面温度呈正比例关系。使用GNP/WPU发热膜制备的理疗护膝可在容量为10000m A,电压为5V的充电宝下持续工作6个小时。佩戴时发热温度稳定在45℃左右,上下温差约为3℃。其次,采用刷涂的方式将GNP/WPU混合溶液作为发热涂料涂覆到地板上,制备发热地板。为保证刷涂过程中表面涂层的均匀性,在混合溶液中添加一定量的表面活性剂,最终选用GNP:WPU:表面活性剂=10:10:1的混合溶液作为发热地板的混合涂料,浆料的浓度为50mg/ml。对发热地板进行发热性能探究,发现地板表面涂覆绝缘层前后温度相差大约4℃。最终温度稳定时,地板上下表面温度差相差大约10℃。将地板连入电路中持续通电7天,地板温度稳定,相同位置温差仅为3℃左右。最后,使用GNP/CMC导电复合膜分别与PI、PET、PDMS、PETF复合制备柔性驱动器。发现只有PI作为基板时,GNP/CMC复合膜与基板的结合力最好,响应速度最快,仅为4.5s。在研究中发现驱动器的弯曲效果随PI基板厚度先增大后减小,最终选择80μm厚PI制做驱动器。制备出的U型结构的驱动器可以在12.5V的电压下,用10s弯曲到最大角度270°,并且连续通断100次后仍能保持初始弯曲状态。所制备的手型驱动器可以在48V的电压下模拟手抓取重物时的形态成功的抓起4g重的纸团。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文范围。下面就介绍一下不同发热材料组成的柔性电热膜。1.3.1 纳米金属线柔性电热膜普通的金属电阻丝直径大、柔韧性差，无法制成柔性的电热膜。Chen 等人使用纳米铜线作为电热材料来制备柔性电热材料。其结构如图 1-1 所示，首先将铜纳米片螺旋喷涂在聚乙烯纤维上。然后将其浸渍在硅胶中，固化后的硅胶作为绝缘保护层，制成柔性加热纤维。最后将柔性加热纤维编制成柔性发热膜。该方法制备的发热膜柔韧性好，该加热膜弯曲 1000 次时加热膜的电阻没有明显变化，，而且单根柔性纤维形变量 40%时，电阻只增加 8%[64]。

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图 1-2 CVD 法透明石墨烯电热膜[1]样使用化学气相沉积法在铜箔上生长透明石墨膜墨烯膜进行热处理。发现 800oC 热处理的石墨膜在；900oC 热处理后稳态温度达到 150oC；1000oC 热热处理石墨膜；(b)900oC 热处理石墨膜；(c)1000oC 热处图 1-3 所示。说明 CVD 法生长的石墨烯膜还有一
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

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