芳香石墨烯加熱系統(tǒng)談碳材料加熱

芳香石墨烯加熱系統(tǒng)談碳材料加熱

2017年3月5日上午，第十二屆全國(guó)人民代表大會(huì)第五次會(huì)議召開(kāi)，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，要盡快解決燃煤污染問(wèn)題，全面實(shí)施散煤綜合治理，促進(jìn)北方冬季清潔供熱。徹底實(shí)現(xiàn)用電代煤、用氣代煤，淘汰地級(jí)以上城市建成區(qū)所有小型燃煤鍋爐，陸續(xù)出臺(tái)了地方補(bǔ)貼和代煤實(shí)施政策。例如，為了更好地開(kāi)展電力替代一攬子交易，降低冬季供暖和用電成本，增強(qiáng)人民的幸福感和獲得感，各地應(yīng)遵循企業(yè)導(dǎo)向、政府驅(qū)動(dòng)、居民負(fù)擔(dān)不起的方針。集中供熱網(wǎng)絡(luò)。村莊（自然村）和社區(qū)（居住區(qū)）作為一個(gè)整體，促進(jìn)了住宅能源的清潔供熱。鼓勵(lì)熱力公司、能源服務(wù)公司、物業(yè)公司等社會(huì)企業(yè)投資建設(shè)熱泵、蓄熱鍋爐、電熱膜、供熱電纜、碳晶體等電熱設(shè)施，實(shí)行集中經(jīng)營(yíng)管理，一次建成各類(lèi)其中電加熱產(chǎn)品雨后春筍般涌現(xiàn)，在市場(chǎng)上得到了廣泛推廣，就市場(chǎng)上的電加熱產(chǎn)品而言，主要分為以下幾類(lèi)：空氣能熱泵、電加熱薄膜、加熱電纜/電線、碳加熱材料等。對(duì)目前常用的碳材料石墨烯/碳晶體板/碳纖維加熱板進(jìn)行了分析。特別是對(duì)印刷碳加熱板（石墨烯加熱芯片）進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

碳材料的加熱原理是在外電流的作用下，運(yùn)動(dòng)的電子和離子劇烈碰撞，高速摩擦產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)熱能，從而釋放熱量，與金屬加熱材料相比，碳加熱材料具有穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、性能好的最大優(yōu)點(diǎn)。輻射換熱效果好，空間加熱速度快，但缺點(diǎn)是在高溫下容易氧化。因此，在使用過(guò)程中必須將其與空氣隔離，因此在有裸露接頭的地方，如碳纖維與電力線路的連接處，在使用過(guò)程中會(huì)逐漸氧化，從而提高線路損耗，影響加熱效率。

印刷碳加熱板主要分為兩種形式，一種是大面積印刷碳粉末（如圖1所示），另一種是蜂窩式（如圖2所示），印刷碳加熱板系統(tǒng)充分利用了印刷碳材料優(yōu)良的平面加熱特性。加熱時(shí)，整個(gè)平面加熱是同步的，連續(xù)加熱，熱平衡效果好，克服了傳統(tǒng)加熱產(chǎn)品加熱不連續(xù)、熱平衡效果差的缺點(diǎn)，印刷碳加熱板通電后加熱迅速，溫度在10秒內(nèi)可迅速上升。釹可以在恒溫下加熱。該產(chǎn)品具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、溫度可控等特點(diǎn)。使用成本僅為普通電加熱的一半左右，在熱均勻性、安全性、耐候性、電熱轉(zhuǎn)換效率和紅外輻射率等方面，與普通加熱產(chǎn)品相比，有了很大的提高和提高。

但是，由于采用了一種或多種印刷工藝，印刷過(guò)程中的缺陷會(huì)引起該部位的異常發(fā)熱，直接導(dǎo)致發(fā)熱板燒壞（圖3），同時(shí)由于印刷在與電源線相連的基膜上，很容易形成接觸電阻。鉚接或焊接過(guò)程，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)異常升溫，燒損節(jié)點(diǎn)。蜂窩式電加熱板內(nèi)與各加熱單元連接的導(dǎo)電材料需與各加熱單元緊密連接。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的產(chǎn)品主要采用銅板或印制導(dǎo)電銀膏連接（圖4）。由于安裝和使用過(guò)程中存在彎曲問(wèn)題，銅接頭會(huì)松動(dòng)或分離，形成接觸電阻，發(fā)熱板會(huì)燒壞，因此這種電熱板必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全檢查才能使用，在敷設(shè)過(guò)程中也應(yīng)避免強(qiáng)烈的碰撞和彎曲。

在印刷材料的加熱板上添加石墨烯的核心功能是提高其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。通過(guò)廣東豐方陶瓷有限公司與華南工業(yè)大學(xué)的聯(lián)合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)碳材料的加熱板可使其導(dǎo)熱系數(shù)提高5-10%，紅外輻射換熱提高5-8%，碳加熱板可提高5-8%，熱效率提高5-8%。在一定程度上得到了改善。

為了碳材料加熱板的安全，最重要的是碳材料與電源連接的安全（端子，圖5）。對(duì)于印刷碳材料，包裝后氧化的概率很小，所以經(jīng)過(guò)工廠測(cè)試，后期出現(xiàn)問(wèn)題的概率一般很小，但對(duì)于終端，由于需要進(jìn)行鉚接工藝，鉚接接頭需要焊接或鉸接電源線。在鉚接或焊接過(guò)程中，鉚接接頭與加熱板的接觸點(diǎn)會(huì)松動(dòng)，形成接觸電阻，然后在通電過(guò)程中對(duì)接觸點(diǎn)進(jìn)行加熱和燃燒（圖6），紅外熱像儀很容易檢測(cè)到。

因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格檢查碼頭的安全性能。在實(shí)際的敷設(shè)和使用過(guò)程中，也有必要不壓端子，以免壓得太松，形成接觸電阻，在使用過(guò)程中燒壞接觸。

印刷碳發(fā)熱板具有良好的抗氧化性能，熱損失小，可長(zhǎng)期使用。它是一種理想的加熱產(chǎn)品。其廣泛、安全的應(yīng)用要求嚴(yán)格的質(zhì)量控制。如果能很好地解決質(zhì)量問(wèn)題，將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

（作者為材料科學(xué)博士、生物醫(yī)學(xué)工程博士后、碩士校外導(dǎo)師、高級(jí)化學(xué)工程師、中國(guó)顆粒制備與處理委員會(huì)主任、佛山市禪城區(qū)陶瓷工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、廣東豐方陶瓷有限公司董事長(zhǎng)）

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