中國粉體網訊 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，電熱轉換效率高達99%，不僅節(jié)約能源，而且使用壽命長。”余先生摸著熱烘烘的地板笑著說。石墨烯具有高導電、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
石墨烯電熱膜發(fā)熱原理
在使用石墨烯搭接制作導電膜器件的過程中，石墨烯基團之間會由于分子間作用力或氫鍵互相搭接，從而因材料內在肖特基勢壘的存在而產生接觸電阻。電熱膜通電后，石墨烯基團內部電子在電場作用下產生定向移動，該過程中電子與石墨烯中的碳原子產生碰撞而發(fā)熱，同時被加熱的電子產生光熱電壓和強烈的近電場，石墨烯吸收光并產生熱電子，形成光電流，實現(xiàn)電熱轉化，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、等離子體輔助化學沉積法、激光輔助化學沉積法以及金屬有機化學沉積法等。
（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，再加入水合肼等還原劑進行還原反應制備石墨烯懸浮液。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，調節(jié)基片旋轉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反應槽內，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
化學氣相沉積 (CVD) 法的原料是氣態(tài)先驅反應物，原理是氣態(tài)分子及原子間產生化學反應使某些成分分解，在基體上形成膜。此類方法可細分為常壓CVD法、 等離子體輔助化學沉積、激光輔助化學沉積以及金屬有機化學沉積等。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，但工藝復雜、制備條件苛刻且難以完美轉移到目標基底上，故很難工業(yè)化量產。
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，石墨烯地暖電熱轉化效率達99%以上且能智能控溫，傳統(tǒng)暖氣熱量轉化效率低且難以精準調節(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域的一顆璀璨明星。它以高效的電熱轉換效率、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)出了極大的適應性和發(fā)展?jié)摿�。無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，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采暖應用研究
朱華等，石墨烯功能膜的研究進展
（中國粉體網編輯整理/留白）
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