基于石墨烯的柔性加热器的电热性能研究＊

Science and Technology & Innovation ｜科技与创新
2024年 第05期
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.05.021
基于石墨烯的柔性加热器的电热性能研究＊
李思远，戈铖琪，郭 浩，黄兆岭
（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）
摘 要：随着时代发展，柔性加热器件广泛地进入了人们的生活。

柔性加热器通常采用石墨烯作为发热层，但存在着变形时加热部件易脱落、加热速率较为缓慢等问题。

针对以上问题，提出使用多层石墨烯、碳纳米管、氮化铝作为涂料的柔性加热器，介绍了其组成结构及工作原理，实验分析了该柔性加热器的工作性能，与石墨烯作为发热层的柔性加热器进行对比。

结果表明，该系统在工作电压为4.5 V 时，最高温度达到了98.2 ℃，性能优于石墨烯作为发热层的传统柔性加热器。

关键词：柔性加热器；多层石墨烯；加热薄膜；数值模拟
中图分类号：TN03 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）05-0081-03
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＊［基金项目］广西壮族自治区大学生创新创业项目（编号：S202210595118）；广西青年自然科学基金项目（编号：2021JJB170014）
柔性加热器是目前有着良好应用前景的柔性器件之一。

由于柔性加热器具有良好的热效率，使用寿命较长，因而被主要应用于血液分析、输液、呼吸治疗等医疗设备中 [1-2]。

柔性加热器以各类发热膜为主导，其主要有PET 低温电热膜、硅胶发热膜、聚酰亚胺发热膜等，这些发热膜都具有节能、高热转换率、质地柔软、使用寿命长等特点。

但是传统的微加热器在研究过程中有许多问题需要解决和完善。

传统的加热器温度分布不精确，体积大，材料昂贵或稀缺也使得加热薄膜难以制备，这一系列问题需要研究者们去解决和重视。

如今，很多柔性加热器需要在恶劣的环境下应用与工作，例如，工作环境较为复杂时，可能要面对灰尘、水雾、静电等干扰，会使柔性加热器的工作电路可靠性大打折扣。

为有效解决一系列现实问题，柔性加热器的电路选料至关重要，一般会使用氧化物纳米材料、金属纳米线和石墨烯等。

近年来，Pt 电极温度系数比较稳定，拥有较高的融化温度，在微加热器和传感器中[3-7]
被广泛应用。

CAI 等（2011）[8]
使用激光刻蚀和微型笔
的方法在铝制基板上制作了Pt 加热电路的加热器，该加热器能在输入较小功率时产生较大的发热量，且该加热器反应迅速，在40 s 内达到稳态温度，实现了微加
热器的特点。

SUI 等（2011）[9]采用微机电技术制作了
多层结构微加热器，显著加强了微加热器的各种性能，其中，Cr 和CrN 薄膜加强了微加热器的抗腐蚀可靠性和机械强度，实现在高温下工作的传感元件的工作要
求。

徐瑞雪（2022）[10]发现了一种具有有序网络结构的
Ag BMs@EGaIn/ePDMS 可拉伸透明电加热器，该种加
热器拉伸20%时仍能保持原始状态下50%的温度。

综上所述，柔性加热器在日常生活中的应用范围较为广泛。

但现应用于市面中的柔性加热器存在以下问题：弯曲时加热部件易脱落、加热速率较为缓慢等。

因此，有必要对传统柔性加热器的加热速率、拉伸性能进行深入研究，期待开发一种加热速率高、温度便于调试的可拉伸变形的柔性加热器。

1 装置整体结构
柔性加热器整体结构如图1所示。

该柔性加热器为三明治结构，即由柔性基底、加热图案薄膜及上层覆盖薄膜组成。

其中由多层石墨烯（ML-GO ）、碳纳米管（CNT ）及氮化铝（AlN ）导电涂料所构成的加热图案薄膜在2层材料为PET 的柔性基底间。

图1 柔性加热器结构
2 柔性加热器有限元仿真
2.1 有限元模型建立
柔性加热器的三维模型通过SolidWorks 创建，建立串联波浪形、回型、扇形，并联波浪形、回型、扇形6种结构。

模型建立后将三维模型以*.step 格式存储，导入COMSOL Multiphysics 中打开。

模型导入后，选择三维空间进行模拟，物理场环境设定为电流和固体传热。

2.2 材料属性定义
完成柔性加热器的模型建立及物理场设定后，在AlN
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材料库中添加相应的材料，具体参数根据表1进行
设置。

表1 材料参数表
材料
密度/（kg·m-3）
电导率/（S·m-1）
定压热容/（J·kg−1·K−1）导热系数/（W·m−1·K−1）相对介电常数
基底
2 210
1×10-14
730
1.4
4.2
石墨烯
0.002 2
1 000
7 000
1 000
1 000
2.3 网格划分
由于柔性加热器的加热图案为热量主要产出点，温度变化复杂，是有限元分析的重点，需在加热图案处划分网格更加细致。

因此，将该结构进行上下分区，利用多边形网格对加热图案部分进行网格划分，网格尺寸范围为4～400 nm。

利用多边形网格对柔性基底部分进行网格划分，网格尺寸为系统自适应。

2.4 边界条件设定
在电流模块的设定中，在加热图案电路上方的引脚施加10 V的电压，将下方的引脚定义为接地，设置通过加热图案电流为恒定值。

在热传导模块的设定中，设定环境温度为理想状态下室温20 ℃。

柔性加热器的主要加热区域为纵向，在热通量设定中选择加热图案上方及柔性基底下方作为散热边界，其余部分散热选择绝缘状态。

2.5 结果分析
仿真分析结果如图2所示。

图2 仿真分析结果
由图2可知，在施加10 V的电压时，并联电路产生的热量远大于串联电路。

电路稳态最高温度如表2所示。

表2 稳态最高温度
单位：℃
电路连接方式
波浪形
回形
扇形
并联
158.08
107.11
98.19
串联
40.35
38.46
33.68
串联电路的总电阻要大于并联电路的总电阻，柔
性加热器工作原理为焦耳定律，公式如下：
Q=
U2t
R
（1）
式中：Q为热量；U为工作电压；t为时间；R为电阻。

工作电压相同时，电阻越大，发热量越小，所以串
联电路发热量会明显低于并联电路。

由各加热电路的
热量分布云图可以看出，串联电路的热量峰值点主要
集中在电路的中间部分，而并联电路的热量峰值点主
要分布在边缘，中间温度相对较低，这说明串联电路相
对于并联电路，对热流的控制更为集中稳定，这样便可
以灵活改变线路形状从而改变热量集中的位置，更容
易满足特定位置产生热量的工作要求。

由于石墨烯优
异的导热性，并联线路结构柔性加热器各部分温差相
近，同时边缘电阻小于中间电阻，其电流较大，所以温
度也较高，但是石墨烯优良的热传导性能使得柔性加
热器边缘的温度可以迅速传导至中心各处，使得中心
温度与边缘各处温差接近，改善了并联电路热流控制
方面的缺陷。

由上述分析结果可知，在10 V的工作电压下，并联
电路适合用于车载除冰或满足其他高温需求，串联电
路适用于柔性可穿戴电子设备。

3 实验部分
3.1 加热图案涂料制作
首先，使用10 mL注射器抽取10 mL纯石墨烯导电
油墨，加入至烧杯中；其次，使用电子天平（精度为
0.01 mg）分别称量20 mg多壁碳纳米管与氮化铝粉末，
加入至烧杯中；最终，加入少量无水乙醇至烧杯中，降
低溶液黏稠度。

将烧杯放置在超声震荡仪中，超声震
荡5 min，同时使用玻璃棒缓慢搅拌溶液使其充分混
合。

配置完成后，使用密封模密封保存。

3.2 加热图案涂料性能测试
图3（a）为涂料方块电阻，随着石墨烯油墨涂覆层
厚度增加，其电阻率不断下降。

当石墨烯油墨层数达
到第4层后，其电阻率值大小波动非常小，估计其层厚
度已经达到极限，当涂料厚度为4层时，方块电阻变化
趋于稳定，此时发热性能最佳；图3（b）为加热图案涂料
的SEM电镜图片，圈出部分表明AlN粉末分布在碳纳
米管及石墨烯之间，填补了缝隙，有利于薄膜的热
扩散。

3.3 柔性加热器样品制备
加热图案薄膜的制作工艺为丝网印刷。

根据实际
情况，本次实验选长为18 cm、宽为12 cm、网孔目数为
150目的聚酯丝印网板，具体流程如下：将配置好的加
（A）波浪形串联（B）回形串联（C）扇形串联（D）波浪形并联（E）回形并联（F）扇形并联
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热涂料滴涂在聚酯网板上，使用刮板对网板上涂料部位施加压力，同时朝另一端缓慢移动，涂料在移动中被刮板从图案部分的网孔中挤压至柔性基底上，缓慢取下丝印网板，对加热图案薄膜进行烘干操作。

最终得到图案清晰、厚度均匀的加热图案薄膜。

最终取PET 胶带覆盖在加热图案薄膜之上进行封装。

（a ）方块电阻与层数关系 （b ）SEM 电镜图片
图3 方块电阻与层数关系及SEM 电镜图片
3.4 柔性加热器性能测试
制备加热涂料为石墨烯、碳纳米管、氮化铝的样品后，对加热图案为并联型的柔性加热器施加4.5 V 电压。

在柔性加热器上方粘贴K 型热电偶测温仪探头，实时监控柔性加热器温度变化，得到加热曲线。

加热涂料仅为石墨烯的加热器，其在10 V 电压下最高温度为50.3 ℃。

加热曲线及红外热成像如图4所示。

（a ）加热曲线 （b ）红外热成像图
图4 加热曲线及红外热成像图
通过观察分析曲线可以看出，柔性加热器在4.5 V 的工作电压下，加热图案组成成分为石墨碳纳米管，氮化铝的样品最高温度为98.2 ℃，达到峰值时间为54 s 。

而加热涂料为石墨烯的柔性加热器需在10 V 工作电压下发热，最高温度为50.3 ℃，远低于98.2 ℃。

综合对比可得，在石墨烯中加入碳纳米管及氮化铝可有效提高柔性加热器的加热温度及工作要求。

4 结论
通过分析对比石墨烯与掺杂碳纳米管及氮化铝的石墨烯涂料制作的柔性加热器各个参数结果，可得出加入碳纳米管及氮化铝至加热涂料后，可有效提升加热速率（约提高50%），提高峰值温度至98.2 ℃。

因此，碳纳米管及氮化铝可有效提高石墨烯加热涂料的性能。

采用石墨烯、碳纳米管、氮化铝作为加热图案涂料
的柔性加热器，在工作电压为4.5 V 时峰值温度为98.2 ℃，因而可用于车载除冰、冬季室外设备防冻等。

参考文献：
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明电极及其在加热器中的应用[D].济南：山东大学，2022.
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作者简介：李思远（2000—），男，吉林长春人，本科，研究方向为柔性电子器件。

通信作者：黄兆岭（1991—），男，博士，副教授，研究方向为柔性电子。

（编辑：严丽琴）
方块电阻
硅片 单层 双层 三层 四层
材料厚度
时间/s
温度/℃
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