石墨烯/N-甲基吡咯烷酮加热膜的厚度对导电性能影响研究
2019-11-27杜卫东孙嘉豪
杜卫东，孙嘉豪
（黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）
石墨烯是碳原子进行sp2杂化形成的新型碳质新材料，其单层厚度仅0.335nm[1]，具有高强度[2]、高导热导电和化学惰性等特点，在电子、能源、化工、材料等领域均展现出广阔的应用前景。实验测试其导热系数高达5300W/mK7，已超越碳纳米管、石墨等碳同素异形体的极限，更远超银和铜等金属材料，在强化传热领域优势显著。此外，石墨烯作为新材料之王，石墨烯的载流子迁移率为15000，将其用于电热领域，具有超薄便携耐压力、强韧性[3]、导电导热快等特性，可以很好地解决发热慢、耗电量大等问题，是取代传统保暖采暖的完美新材料。此外石墨烯的电加热的热分布均匀，辐射大量红外线，对促进人体血液循环起到很好的效果，相比于其它的电加热，石墨烯电加热材料能大大提高电热转化[4]，因此，笔者通过对不同尺寸及厚度的石墨烯加热膜进行热扩散系数和电导率的测试，探究最佳实验值，以指导生产实践。
1 实验方法
1.1 实验材料
原料：石墨烯/N-甲基吡咯烷酮浆体（2400ml，原料是黑龙江省石墨烯应用研究重点实验室制备，原料成分包括：蒸馏水含量为81.27%，N-甲基吡咯烷酮含量为12.63%，石墨烯含量为6.1%，量筒（50ml、100mL），基体材料选用酚醛塑料（2200mm×1300mm×2.903mm），导线若干，铜膜垫片（厚度：0.01mm），绝缘胶布，砂纸（60目、150目）。
1.2 实验设备与仪器
耐驰LFA427激光导热仪，透射电子显微镜(JEM－1400Flash)，四探针探针测试仪（KTS-4），可调电压供电电源（U=0～36V），工业红外测温仪（AT380），热熔胶枪（100w，GT-10），红外温度热成像仪（ZH-CN），万用表（UT39C），螺旋测微器（三两数显千分尺），X射线衍射仪（DX-27），扫描电子显微镜(SIGMA － 500)。
1.3 电加热薄膜制作工艺过程
采用浆料干燥法制备石墨烯加热薄膜。首先对基底材料进行预处理，增加其表面的粗糙度（Ra25），使得基底材料利于浆料粘附于基底材料，将酚醛塑料按照规定好的尺寸进行划分，然后再每个规定尺寸之间用热熔胶进行塑封边界。将配置好的水基石墨烯/N-甲基吡咯烷酮复合材料薄膜浆料；用按照规划的（规格尺寸大小，表1）烧杯称取后，注入划分好的尺寸“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-甲基吡咯烷酮复合材料薄膜，在干燥环境为标准大气压、特定温度的环境下干燥15h后。得到诸如图1等电加热薄膜。
表1 浆料薄膜尺寸和对应尺寸浆料用量
图1 电加热薄膜 例：100mm×515mm
图2 石墨烯的SEM照片
2 实验结果与分析
2.1 石墨烯SEM表征
图2给出了原料中石墨烯粉末的SEM图像，图像显示少层的石墨烯存在卷曲和褶皱，粒径小于10μm。
2.2 石墨烯XRD表征
图2给出了原料中石墨烯粉末的XRD衍射图谱，可以看出相对强度I=364,2θ=28.48°。根据布拉格方程，波长取可计算出原料中石墨烯的厚度为0.036nm，与标准的碳原子厚度相差无几，因此所选用的石墨烯质量较高。
2.3 石墨烯的HRTEM表征
图2给出了石墨烯原料中石墨烯的HRTEM表征图像，图中石墨烯的片层相互叠加在一起，可以看出原料中的石墨烯层数大部分在3层以下，厚度小于3nm。
2.4 石墨烯电加热膜的热学表征
将石墨烯电热膜接入电路后，然后将对应的每一个试样接36V直流供电源，发现电源，分别供电30s，然后用红外温度热成像仪（ZH-CN）进行热学温度成像，得到每个试样对应的热学温度。图5给出了100mm×515mm石墨烯电加热薄膜红外成像的图像。
图3 石墨烯的透射照片
图4 石墨烯的透射照片
图5 电加热薄膜红外成像的图像
2.5 厚度对电导率的影响
图6 不同条件下的的厚度-电导率曲线
图 6给 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下的厚度对应电导率的变化曲线，可以看出，随着厚度的增加，对应电导率也不断增加，在0.01mm厚度以下总能出现较大的电导率，由此可以推测在0.01mm左右电加热膜的导热率最好，但是对于加热膜的热扩散系数的变化而言并不是随着厚度的减少而增加，证明对于0.01mm的加热膜对于导电和导热的综合性能而言并不是最好。
2.6 石墨烯加热膜的均温和厚度的关系
图 8给 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下不同厚度对应的石墨烯加热膜的均温关系图，由图可以分析可知，石墨烯加热膜的厚度对温度有很大的影响，可以推测，温度随着厚度的增加而先增大后降低。所有试样中，尺寸为125mm×1030mm的加热膜对应的均值温度都比其他试样的均温高。
图7 不同尺寸下的不同厚度对应的加热膜的平均温度
3 结论
（1）石墨烯电加热膜的电导率随着厚度的增加而逐渐降低，从0.186mm到0.081mm的变化，电导率减少了10倍，在一定范围内，宽度和长度的变化对加热性能的变化影响很小。
（2）石墨烯电加热膜的热扩散系数总是随着石墨烯电导率的增加而先增大后减小，石墨烯加热膜的试样中热扩散系数的峰值往往出现在1×103(S/m)左右。
（3）石墨烯发热膜的厚度对石墨烯发热膜的平均温度影响很大。综合考虑到加热和发热性能，得到尺寸为125mm×1030mm×0.147mm，此时电导率为667S/m，热扩散系数为3.083m²/s，在36v的直流电压下，加热30s，温度可以达到47℃。
