桂林电子科大：多尺度GO/CNT/AlN纳米复合材料,用于柔性电热薄膜

成果简介

低能耗、高稳定性的电热材料是改善我们日常生活的高需求。本文，桂林电子科技大学黄家强等研究人员在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“Multi-scale GO/CNT/AlN nanocomposites for high-performance flexible electrothermal film heaters”的论文，研究提出了一种新型高性能柔性加热器，通过丝网印刷具有高加热速率，基于由多层氧化石墨烯（ML-GO），碳纳米管（CNTs）和氮化铝（AlN）组成的多尺度纳米复合材料。结果表明，AlN可以填补网状结构中的空白，降低表面热阻和薄膜电阻率，大大提高了柔性加热器的导电导热系数。在4.5V电压下，ML-GO/CNT/AlN加热膜的最高温度达到131.2℃，并且该薄层表现出低的片状电阻，低至10.27±2.5Ωsq-1。同时，多尺度柔性加热器的稳定温度和相应的响应率分别比基于ML-GO的柔性加热器高153%和57.8%。

令人鼓舞的是，在随机机械弯曲和扭转力下，稳态温度曲线的波动小于0.8%。在除冰过程中，也可以观察到较高的稳态温度，而且超快的响应时间远远优于大多数现有的加热器。除此之外，ML-GO/CNT/AlN加热器呈现出低驱动电压、出色的灵活性和稳定性，并且可以集成到各种除冰条件和可穿戴医疗系统中，而不需要对使用的基材太过挑剔。它们还显示出应用于各种智能加热膜的巨大潜力，并为可穿戴加热应用开辟了途径。

图文导读

图1、（a） 基于丝网印刷和多尺度纳米复合材料（ML-GO、CNT和AlN）的柔性电阻加热器的制造工艺。（b）FRH器件和（c）ML-GO/CNT/AlN薄膜的相应微观结构的示意图。（d） FRH装置的横截面和（e）物理图。（f） ML-GO/CNT/AlN薄膜的形态。

图2、（a）ML-GO，（b）ML-GO/CNT，和（c）ML-GO/CNT/AlN干燥粉的SEM图像以及相应的横截面形态

图3、（a） ML-GO/CNT 和 （d） ML-GO/CNT/AlN 薄膜样品的 AFM 图像。（b、c、e 和 f）分别显示相应的 3D 表面形貌和粗糙度。

图4、（a） ML-GO/CNT/AlN化学成分的全谱分析。（b） Al2p、（c） C1s、（d） O1s 和 （e） N1s 的反卷积峰的高分辨率 XPS 频谱图。

图5、a） 基于丝网印刷的PET薄膜表面制备的油墨的物理图像。（b） 柔性加热器部件的尺寸和形态。（c） 四探头试验示意图。（d） 不同油墨在不同体积下的电阻值变化曲线。

图6、a） ML-GO/CNT/AlN柔性加热器的稳定性监测。（b） 随机机械弯曲和扭转力下的稳态温度曲线。（c）FRH装置在拉伸应力下的温度变化和（d）断裂过程。

图7、（a） 室内环境中的除冰装置。（b） 实际除冰试验的温度曲线。（c） 实际除冰过程中的温度图像和融冰过程。

小结

综上所述，本文开发了一种基于室温固化导电油墨（ML-GO/CNT/AlN）和丝网印刷的新型全印刷FRH装置。AlN半导体陶瓷材料作为ML-GO油墨中有效的导热剂和导电增强剂的通用性已经得到成功证实，可以解决低电压下热响应（加热和冷却）慢、加热范围小和热稳定性等问题。重要的是，ML-GO/CNT/AlN柔性加热器是一种节能且低成本的快速加热解决方案，可以集成到任何柔性电子系统中。概念验证除冰应用证实了在低驱动电压下具有显著的快速加热响应能力。我们相信，这种策略也可以作为贵金属油墨的低成本替代品，从而提供新的选择，并为制造用于不同热管理应用的柔性电热加热器铺平道路。

文献：

https://doi.org/10.1039/D3TC01265D