電熱膜是由電絕緣材料與封裝在其中的發(fā)熱電阻材料組成的平面型電熱轉(zhuǎn)換元件，通電后，會以熱對流和熱輻射的形式提供熱量，有易于控制調(diào)節(jié)且不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，在供熱領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用。目前，市面上最常見的發(fā)熱膜大致有金屬絲電熱膜、碳纖維電熱膜、碳晶電熱膜、石墨烯電熱膜幾種，其中金屬絲和碳纖維的加熱方式為線狀加熱，有發(fā)熱不均勻、局部溫度過高等缺點(diǎn)，而碳晶電熱膜雖為面狀發(fā)熱，但因其導(dǎo)電性較差，電熱轉(zhuǎn)換能力較低，難以滿足快速發(fā)展的電熱產(chǎn)品的需求，因此具有優(yōu)異熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的石墨烯成為了電熱膜如今的首選材料。

石墨烯材料的選擇

理想的純石墨烯電導(dǎo)率可高達(dá)5300W/m·K，電導(dǎo)率可達(dá) 10⁶S/m，載流子遷移率達(dá) 15000cm2 /(V·s)，是目前世界上導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能最好、強(qiáng)度最大的材料。但作為電熱產(chǎn)品通電發(fā)熱，通常電導(dǎo)率也不宜太高，若整個(gè)電路中石墨烯基電熱膜電阻于普通導(dǎo)線電阻，則會導(dǎo)致原先的導(dǎo)線變成了負(fù)載，而石墨烯變成了導(dǎo)線，不再起加熱作用，因此用于制成電熱膜的石墨烯材料通常要求適當(dāng)降低其導(dǎo)電性。

目前，石墨烯常采用的化學(xué)法在制備過程中需要發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，產(chǎn)物往往會存在有部分缺陷或含有羥基、羧基等含氧有機(jī)官能團(tuán)。在使用這些含有缺陷或官能團(tuán)的石墨烯材料制成電熱膜時(shí)，由于分子間作用力或氫鍵，基團(tuán)間互相搭接而產(chǎn)生接觸電阻，可以一定程度上減小了載流子的隧穿效應(yīng)，從而成為了電熱膜材料的優(yōu)選。

石墨烯缺陷結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)

石墨烯電熱膜的發(fā)熱機(jī)理

與普通電阻絲通電發(fā)熱機(jī)理不同，石墨烯通電后其內(nèi)部的自由電子發(fā)生定向移動(dòng)并與碳原子發(fā)生碰撞、摩擦，將獲得的電能轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能又通過控制波長在7-14微米的遠(yuǎn)紅外線以平面方式均勻地輻射至周圍空間，然后由周圍物體散發(fā)輻射熱，達(dá)到傳熱效果。由于在此過程中幾乎沒有任何其他形式的能量（如機(jī)械能、光能、化學(xué)能等）損失，轉(zhuǎn)化率可超過 99%，同時(shí)由于本身較高的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率以及超薄特性，相比其他材質(zhì)，石墨烯可以讓電熱膜功率密度增大、熱響應(yīng)更快、發(fā)熱分布更均勻、膜層更薄，性能得到整體提升

石墨烯電熱膜的應(yīng)用

石墨烯電熱膜最早用于航空航天等高端領(lǐng)域的加熱保溫，近年來經(jīng)過研究發(fā)展逐漸在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。

1、家用采暖

民用電采暖領(lǐng)域是石墨烯電熱膜最廣為人知的應(yīng)用領(lǐng)域之一，作為電熱轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換為熱量以供采暖之用。電熱膜采暖設(shè)備較為輕便，除了可節(jié)省空間，輕松地嵌入墻壁、地板或天花板等建筑材料中，還可以制作成不同形式的加熱設(shè)備，嵌入，如地暖膜、電熱毯等，滿足不同使用場景要求。除此之外，其均勻的面發(fā)熱性能、較低的能耗和優(yōu)異的環(huán)保性也使得其與傳統(tǒng)采暖方式相比，有著更廣闊的應(yīng)用前景。

2、發(fā)熱服：

在2018年平昌冬奧會閉幕式上，“北京8分鐘”攜著大量黑科技驚艷亮相，其中石墨烯發(fā)熱服就是其中之一。由于現(xiàn)場氣溫較低，傳統(tǒng)防寒服保暖效果雖好，但填充物多，略顯臃腫笨重，而演員們?yōu)榱遂`活地完成表演，需要穿著輕薄、柔軟的服裝。為了做好演員的防寒保暖工作，主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)采用了石墨烯智能發(fā)熱服飾來確保演員在穿著較薄的演出服時(shí)不會被凍傷，據(jù)悉當(dāng)時(shí)所采用的石墨烯發(fā)熱服在零下20度的條件下，可發(fā)熱4小時(shí)。

來源：新浪體育

3、除冰領(lǐng)域

結(jié)冰是日常生活里常見的一種自然現(xiàn)象，在低溫環(huán)境下，空氣中的過冷水滴會由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)從而在物體表面形成冰，在我國北方，每當(dāng)遭遇寒潮、暴雪等惡劣的天氣時(shí)，就會有大規(guī)模的冰形成，嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了實(shí)現(xiàn)快速、高效無污染的除冰將石墨烯電熱膜鋪設(shè)于需要除冰的重要部位上。目前，石墨烯電熱膜的除冰功能在多個(gè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景：如飛機(jī)機(jī)翼表面的除冰，可避免其表面的厚冰層破壞機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)特性，從而導(dǎo)致航空事故的發(fā)生；作為路面除雪裝置，可取代融雪劑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)融雪化冰防滑的目的。此外，石墨烯電熱膜還有望鋪設(shè)在汽車窗戶上，實(shí)現(xiàn)除霧和除霜的功能，提高駕駛安全性。

2004年東方航空B-3072號飛機(jī)，因起飛前沒有經(jīng)過很好的除冰工作，而發(fā)生空難墜毀

使用融雪劑的路面、鋪設(shè)了石墨烯電熱膜的路面（來源：牛墨科技）

4、新能源汽車電池低溫預(yù)熱：

電池組是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，電池性能決定汽車的性能。在熱管理領(lǐng)域，對于鋰電池的研究通常集中在高溫散熱上，但其實(shí)在在高緯度寒冷地區(qū)，低溫也會對電池的性能及安全穩(wěn)定性有著很大影響。當(dāng)鋰電池溫度低于低于0℃時(shí)，電池放電電壓及放電容量降低，影響電動(dòng)汽車的正常啟動(dòng)及續(xù)航時(shí)長。將石墨烯電熱膜應(yīng)用于新能源汽車電池組，其是均勻的面發(fā)熱性能可以實(shí)現(xiàn)將電池安全、高效、穩(wěn)定地由低溫加熱至電池適宜工作溫度區(qū)間，確保電池在寒冷條件下仍能正常工作，提高電池的性能和壽命，同時(shí)其輕薄的優(yōu)點(diǎn)也能滿足汽車輕量化需求。

低溫預(yù)熱電池結(jié)構(gòu)及實(shí)物

參考文獻(xiàn)：

1、齊凱. 石墨烯電加熱膜的制備與應(yīng)用[D].北京服裝學(xué)院.

2、汪靖凱. 石墨烯基電熱膜室內(nèi)采暖應(yīng)用研究[D].西安建筑科技大學(xué).

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