电热膜特性及应用领域

电热膜特性及应用领域

本讲要旨:新材料技术的进步是现代科技进步的主要推动力，反映在电热膜领域，是材料技术使电热膜从最初的纯金属（或合金）向以碳基无机矿物复合材料、向有机合成纤维的碳化处理材料即碳纤维，进而向有机导电高分子复合材料发展，从而形成目前多种电热膜类型共存的繁荣局面，且产品性能伴随着各种材料的技术进步而逐渐提高。电热膜因其同属电加热元件而有其共性，也因发热材料和电热膜产品结构形态的不同有其个性，这种共性和个性决定了不同类型电热膜既有共同的应用领域，也有各自最为适宜的应用条件和与之相对应的工艺要求。本讲重点阐述了四种类型电热膜产品的共性和个性，以及电热膜在国内外已经产业化应用的领域。自下一讲开始重点就电热膜的供暖应用、尤其电热膜电地暖应用逐步展开并做详细介绍。

一、电热膜产品特性

电热膜的发热材料和产品结构形态是决定电热膜产品性能的主要因素，其中发热材料起决定性作用。上一讲中我们依据发热材料不同把电热膜分为金属基、碳基油墨、碳纤维和高分子等四种类型，这四种类型的电热膜因为同属于电加热元件，所以有着共同的特点，但是不同发热材料先天的物理、化学、电化学、电热等性质的不同又决定了不同电热膜性能的差异，这些差异反应在电热膜产品性能上，表现出电热膜单位面积电阻率的差异尤其功率极限值的不同、辐射热占电?热转换率比例的不同、产品抗氧化能力、产品抗龟裂及融胀性能不同、使用过程中功率密度变化的不同以及产品使用寿命的不同等各个方面，也因此决定了不同类型电热膜既有共同的应用领域、又有各自最佳的使用范围。

(一)电热膜产品的共同特性

电热膜作为一类新型的低温辐射电加热元件，与电锅炉、电暖气等其他类型的电加热体有着明显的不同，概括起来有以下几点：

1.电-热转换效率高，辐射热占比大

电热膜的电-热转换效率是所有电加热元件中最高或并列最高的，

在能量转换过程中几乎没有任何其他形式的能量损失，如光能、机械能、化学能等，电-热转换效率几近100%。其中，电-热辐射转换效率比例也是相同单位面积功率的电加热元器件中较大的，以中国房地产及住宅研究会住宅设施委员会《低温辐射电热膜》标准验证检验用“新宇阳高分子电热膜”的检测结果为例，电热膜功率密度150W/m2的电-热辐射转换效率为63%，法向全发射率高达0.87。

2.电磁辐射小，对人体无危害

我们经常可以感受到电磁辐射的实例，如：将手机放在座机电话旁，当有来电或短信信号时，座机电话总是早于手机信号发出“吱、吱、吱……”的声音；吸尘器在电视机旁工作时，会影响电视信号质量等。个别厂家的单导发热电缆电地暖系统影响电视机信号质量也是电磁辐射的原因。

对于绝大部分电热膜产品，发热体材料和产品结构决定了电热膜在使用过程中的电磁辐射量（磁感应强度）均很小，约为0.1-1.0μT(微特斯拉，1高斯=100微特斯拉)左右，不会构成对人体的危害。

国际非电离放射线防护委员会(ICNIRP)1998年对于电器产品电磁辐射量限定值推荐为:50Hz的磁感应强度100μT，20-30kHz的磁感应强度6.25μT。电热膜使用中的磁感应强度比其他家用电器产品要小的多，如:电子微波炉为20μT、吸尘器为20μT、手机电话为20μT、彩色电视机为2μT（以上数据为美国环境署公布）。电热膜在使用过程中也不会对其它电器产品产生电磁干扰现象，如:新宇阳高分子电热膜用做国家广电总局卫星天线融雪系统已经过数个冬季的检验、验证。

3.有效发热面积大，热均匀性和热舒适性好

电热膜整个表面作为电加热体，发热面积大，热散布快；电热膜表面功率密度均匀，表面温差小，热均匀性好；电热膜以远红外辐射热为主，用于供暖时对空气扰动影响小，体感温度高，热舒适性好。

4.物理性能稳定，功率变化小，使用寿命长

不同类型电热膜在用做低温辐射电热膜使用时，材料的性能相对稳

定，使用过程中的物理化学性质以及功率密度变化小，使用寿命长。

5.厚度薄，柔性好，占用空间小

电热膜是所有电加热体中厚度最薄，通常在1mm以内，可称为超薄电加热体；外覆绝缘层以聚酯薄膜等柔性产品为主，易于后加工和运输、安装等，同时在所有电加热产品中占用空间面积最小，易于做隐蔽工程。

6.后续开发空间大，产品应用领域广

电热膜作为通电后可以直接将电能转化为热能的电加热元器件，加工利用有些电热膜类型的个性特点，如:新宇阳高分子电热膜“任意幅宽和形状、任意电压(交、直流)、任意功率密度”以及调整辐射波长范围和辐射强度的功能性等，可以开发出不同应用领域、多种产品系列。

(二)不同类型电热膜的个性特点

发热材料不同，电热膜性能也有不同；同类发热材料，不同电热膜厂家的产品也有性能差异，尤其是碳基油墨电热膜表现的更加突出。 金属基电热膜以纯金属或合金为发热材料，功率密度可以严格计算和设计，功率密度误差可以控制到最小；是唯一不存在电极和发热材料之间是否紧密接触问题的电热膜类型。金属基电热膜在大面积使用时的连接点会较多、电热膜局部破坏会发生断路或高电压漏电；金属发热体的抗氧化能力较弱，如果长期处于潮湿环境中使用，即使少量的水分子透过绝缘层渗透到金属发热体内也会使金属氧化而导致功率衰减，从而影响到使用效果。

碳基油墨电热膜生产工艺简单，造价低廉，加工技术成熟，功率密度误差和变化因厂家而异。以金属铜片载流条做电极同样有潮湿环境下易于氧化和老化的问题，与金属基电热膜的加工工艺相同，都是将发热材料直接热压在绝缘层之间，加工过程中应严格避免将空气直接热压在两层绝缘膜之间，因为电热膜在使用过程中随温度升高、气体膨胀、绝缘层软化、电热膜会出现鼓泡(融涨)甚至破裂，也是这类电热膜易于出现龟裂的原因之一。另外，碳基油墨电热膜的功率密度受发热材料和绝

缘层材料的制约，通常功率密度极限值在300-400W/m2左右，从而限制了它的应用范围。

碳纤维电热膜是所有电热膜中耐高温性能最好的，因此它的最佳用途是作为大功率密度、刚性电热板的发热元件使用。低功率密度柔性碳纤维电热膜的热均匀性和功率密度的衰减是必须解决的问题。而低功率密度碳纤维电热膜电极的处理大都与碳基油墨电热膜相同，同样存在电极氧化、老化的问题等。

高分子电热膜的电极经过特殊处理，电极与导电高分子发热材料密切接触且柔韧性好，局部破坏不影响整体工作，裸体电热膜与接线端子、引出电线连线后再外敷绝缘层的工艺保证了电热膜接线处的电气安全性能，高分子“三个任意”的特性决定了产品的适用性强、后续产品开发空间加大。而有机高分子材料的耐温极限通常在250℃以内，所以高分子电热膜不能用于制作高温电热膜。

二、电热膜应用领域

电热膜作为具有突出特性的电加热元件，在国内外已经应用在多个领域。这项技术自上世纪90年代引入我国以来，经过十几年的发展形成了世界上电热膜类型最为齐全、应用领域最为广泛、用量也最大的电热膜大国。

(一)工业、农业和畜牧业

电热膜在工业上的应用包括罐体、管道的加热和保温，工业生产和加工过程中的局部加热，远红外低温外烘箱、干燥箱等。

农业上，温室育种育苗，农业蔬菜大棚供暖等。

电热膜在畜牧业的应用如：利用电热膜的加热功能和远红外的杀菌消毒作用促进禽类的孵化及幼雏(畜)的成长环境的建设等。

(二)融雪化冰、防冻

电热膜的融雪化冰和防冻应用在日本已有大量的工程案例，主要在高速公路的桥梁、坡道，建筑物地下停车场出入口、铁路路道岔等。我国已经成功的应用案例有卫星接收天线融雪、道路融雪(图1)。