石墨烯/N-甲基吡咯烷酮加熱膜的厚度對導電性能影響研究

杜衛東，孫嘉豪

（黑龍江科技大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

石墨烯是碳原子進行sp2雜化形成的新型碳質新材料，其單層厚度僅0.335nm[1]，具有高強度[2]、高導熱導電和化學惰性等特點，在電子、能源、化工、材料等領域均展現出廣闊的應用前景。實驗測試其導熱系數高達5300W/mK7，已超越碳納米管、石墨等碳同素異形體的極限，更遠超銀和銅等金屬材料，在強化傳熱領域優勢顯著。此外，石墨烯作為新材料之王，石墨烯的載流子遷移率為15000，將其用于電熱領域，具有超薄便攜耐壓力、強韌性[3]、導電導熱快等特性，可以很好地解決發熱慢、耗電量大等問題，是取代傳統保暖采暖的完美新材料。此外石墨烯的電加熱的熱分布均勻，輻射大量紅外線，對促進人體血液循環起到很好的效果，相比于其它的電加熱，石墨烯電加熱材料能大大提高電熱轉化[4]，因此，筆者通過對不同尺寸及厚度的石墨烯加熱膜進行熱擴散系數和電導率的測試，探究最佳實驗值，以指導生產實踐。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

原料：石墨烯/N-甲基吡咯烷酮漿體（2400ml，原料是黑龍江省石墨烯應用研究重點實驗室制備，原料成分包括：蒸餾水含量為81.27%，N-甲基吡咯烷酮含量為12.63%，石墨烯含量為6.1%，量筒（50ml、100mL），基體材料選用酚醛塑料（2200mm×1300mm×2.903mm），導線若干，銅膜墊片（厚度：0.01mm），絕緣膠布，砂紙（60目、150目）。

1.2 實驗設備與儀器

耐馳LFA427激光導熱儀，透射電子顯微鏡(JEM－1400Flash)，四探針探針測試儀（KTS-4），可調電壓供電電源（U=0～36V），工業紅外測溫儀（AT380），熱熔膠槍（100w，GT-10），紅外溫度熱成像儀（ZH-CN），萬用表（UT39C），螺旋測微器（三兩數顯千分尺），X射線衍射儀（DX-27），掃描電子顯微鏡(SIGMA － 500)。

1.3 電加熱薄膜制作工藝過程

采用漿料干燥法制備石墨烯加熱薄膜。首先對基底材料進行預處理，增加其表面的粗糙度（Ra25），使得基底材料利于漿料粘附于基底材料，將酚醛塑料按照規定好的尺寸進行劃分，然后再每個規定尺寸之間用熱熔膠進行塑封邊界。將配置好的水基石墨烯/N-甲基吡咯烷酮復合材料薄膜漿料；用按照規劃的（規格尺寸大小，表1）燒杯稱取后，注入劃分好的尺寸“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-甲基吡咯烷酮復合材料薄膜，在干燥環境為標準大氣壓、特定溫度的環境下干燥15h后。得到諸如圖1等電加熱薄膜。

表1 漿料薄膜尺寸和對應尺寸漿料用量

圖1 電加熱薄膜 例：100mm×515mm

圖2 石墨烯的SEM照片

2 實驗結果與分析

2.1 石墨烯SEM表征

圖2給出了原料中石墨烯粉末的SEM圖像，圖像顯示少層的石墨烯存在卷曲和褶皺，粒徑小于10μm。

2.2 石墨烯XRD表征

圖2給出了原料中石墨烯粉末的XRD衍射圖譜，可以看出相對強度I=364,2θ=28.48°。根據布拉格方程，波長取可計算出原料中石墨烯的厚度為0.036nm，與標準的碳原子厚度相差無幾，因此所選用的石墨烯質量較高。

2.3 石墨烯的HRTEM表征

圖2給出了石墨烯原料中石墨烯的HRTEM表征圖像，圖中石墨烯的片層相互疊加在一起，可以看出原料中的石墨烯層數大部分在3層以下，厚度小于3nm。

2.4 石墨烯電加熱膜的熱學表征

將石墨烯電熱膜接入電路后，然后將對應的每一個試樣接36V直流供電源，發現電源，分別供電30s，然后用紅外溫度熱成像儀（ZH-CN）進行熱學溫度成像，得到每個試樣對應的熱學溫度。圖5給出了100mm×515mm石墨烯電加熱薄膜紅外成像的圖像。

圖3 石墨烯的透射照片

圖4 石墨烯的透射照片

圖5 電加熱薄膜紅外成像的圖像

2.5 厚度對電導率的影響

圖6 不同條件下的的厚度-電導率曲線

圖 6給 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下的厚度對應電導率的變化曲線，可以看出，隨著厚度的增加，對應電導率也不斷增加，在0.01mm厚度以下總能出現較大的電導率，由此可以推測在0.01mm左右電加熱膜的導熱率最好，但是對于加熱膜的熱擴散系數的變化而言并不是隨著厚度的減少而增加，證明對于0.01mm的加熱膜對于導電和導熱的綜合性能而言并不是最好。

2.6 石墨烯加熱膜的均溫和厚度的關系

圖 8給 出 了 100mm×1030mm、100mm×515mm、125mm×1030mm、125mm×515mm尺寸下不同厚度對應的石墨烯加熱膜的均溫關系圖，由圖可以分析可知，石墨烯加熱膜的厚度對溫度有很大的影響，可以推測，溫度隨著厚度的增加而先增大后降低。所有試樣中，尺寸為125mm×1030mm的加熱膜對應的均值溫度都比其他試樣的均溫高。

圖7 不同尺寸下的不同厚度對應的加熱膜的平均溫度

3 結論

（1）石墨烯電加熱膜的電導率隨著厚度的增加而逐漸降低，從0.186mm到0.081mm的變化，電導率減少了10倍，在一定范圍內，寬度和長度的變化對加熱性能的變化影響很小。

（2）石墨烯電加熱膜的熱擴散系數總是隨著石墨烯電導率的增加而先增大后減小，石墨烯加熱膜的試樣中熱擴散系數的峰值往往出現在1×103(S/m)左右。

（3）石墨烯發熱膜的厚度對石墨烯發熱膜的平均溫度影響很大。綜合考慮到加熱和發熱性能，得到尺寸為125mm×1030mm×0.147mm，此時電導率為667S/m，熱擴散系數為3.083m2/s，在36v的直流電壓下，加熱30s，溫度可以達到47℃。