瞬时加热和电热性能的高温电加热石墨烯复合材料

1成果简介

电加热复合材料在瞬时电加热管的快速温度响应和电热转换中发挥着重要作用。然而，如何制备出具有优异电热性能和高功率密度的电热复合材料，以用于 300 ℃ 以上的高温应用，仍然是一项挑战。本文，广西师范大学 蒋卷涛 教授、黄有国 教授等在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Superior Instant Heating and Electrothermal Performances of Interconnected Graphene-Expanded Graphite-Based Electric Heating Composite”的论文，研究利用连续蓬松的三维互联石墨烯-膨胀石墨混合导电填料（GGCF）制备了一种高温电热复合材料。

PI 电热膜的最高温度可达 310 ℃，加热速率高达 450 ℃-min-1，电热辐射转换效率高达 44%，电热转换效率为 0.27 W-℃-1。相应的稳态温度分别是等效的单独 rGO 和单独 GP 的 5.1 倍和 12.7 倍。此外，在典型水流量为 380 mL-min-1 和功率为 2000 W 的条件下，最终的铝电加热管可在 6 秒内将流动的水加热到 100 °C。770 次循环加热和冷却验证了其出色的抗热震性和可重复性。这种电加热复合材料具有卓越的电热性能、瞬间加热功能、长期稳定性和高安全性，在电加热领域显示出巨大的潜力。

2图文导读

图1. 材料和设备的制备过程。

图2. (a) GGCF、放大的 (b) 石墨烯纳米片富集区和 (c) 展开的石墨片富集区的 SEM 图像；(d) GGCF 的 TEM 图像和 SAED 图像；(e) 分离的石墨烯纳米片和 (f) 分离的展开的石墨片的 HRTEM 图像。

图3：(a) 傅立叶变换红外光谱；(b) 拉曼光谱；(c) X 射线衍射图；(d) 高分辨率 XPS C 1s 光谱；(e) 氧含量；(f) GGCF 和未加工石墨 (G) 的导电率。

图4. 添加了不同 GGCF 的 PI 电热膜的顶面和横截面的 SEM 图像：15 wt %（a,e,i）、20 wt %（b,f,j）、25 wt %（c,g,k）和 30 wt %（d,h,l）。

图5：添加了不同 GGCF 的 PI 电热膜在 10 至 50 V 电压下的 (a) 50 V 电阻、(b) 功率、(c) η 和 (d) hr+c 值。

　　图6. (a) 铝电加热管的结构示意图和 (b) 光学照片；(c-e) 铝电加热管横截面的 SEM 和 EDS 图像；在 2000 W、流速为 (f) 380 和 (g) 400-1000 mL/min 时的出水温度与时间的关系；(h) 2000 瓦、400 毫升/分钟流速下连续加热的功率图；(i) 2000 瓦、400 毫升/分钟流速下长期循环加热-冷却（通电 30 秒，断电 20 秒）的功率图和相应的 (j) 温度图。

3小结

综上所述，基于电化学剥离产生的连续蓬松三维互联 GGCF 和耐高温绝缘 MSR，制备出了一种具有优异瞬间加热和电热性能的高温电热复合材料。含有 30 wt % GGCF 的 PI 电热膜的最高温度为 310 ℃，加热速率高达 450 ℃-min-1，单面电热辐射转换效率为 44%，在 50 V 电压下的电热转换效率为 0.27 W-℃-1。在典型水流量为 380 mL-min-1 和功率为 2000 W 的条件下，最终的 Al 电加热管可在 6 s 的短时间内将流动的水从环境温度加热到 100 ℃。在 770 次循环加热-冷却试验中，铝电加热管的功率保持稳定，重复性极佳，相应的出水温度仍基本达到 100 ℃，表现出极佳的耐热冲击性、稳定性和安全性。这项工作对于开发工业产品和家用电器中的瞬间电加热装置具有重要意义。

　　文献：
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01025

　　来源：材料分析与应用