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陕科大马忠雷副教授和西工大顾军渭教授:基于高强耐热芳纶纳米纤维的快速响应高温柔性电热膜
2019/6/25 16:13:33 易丝帮 0 条评论 邀请点评

  基于焦耳效应的电发热器因其在可穿戴设备、除雾和除霜、加热系统等领域的广泛用途而备受关注。当施加电压时,电流通过电发热器产生焦耳热从而使其表面温度升高。为满足高性能加热系统的需求,迫切希望电加热器兼具柔性、高透明性、低外施电压、高发热温度、快速响应及良好的热稳定性和物理机械性能。铟锡氧化物(ITO)由于其优异的透明度(Tr>90%)已被广泛用于透明电发热器工业中,然而其低柔性、高脆性、慢速热响应和复杂的制备工艺等缺点严重限制了在柔性可穿戴设备和高性能加热系统中的应用。以聚合物为柔性基体,以石墨烯、碳纳米管和银纳米线等为高导电功能填料制备柔性透明电热膜成为最近的研究热点。然而,目前柔性电热膜通常以热稳定性和力学性能较低的聚合物为基体,所得电热膜电阻较大,因此存在驱动电压高、发热温度低(通常低于100℃)和力学性能差等缺点,难以满足航空航天、军事工程等高性能加热系统中的应用。

   近日,陕科大马忠雷副教授和西工大顾军渭教授采用简便高效的两步真空辅助抽滤(TVAF)-热压成型法,设计开发了一种基于高强耐热芳纶纳米纤维(ANFs)和高导电银纳米线(AgNWs)的快速响应高温柔性电热膜。所得ANF/AgNW纳米复合电热膜中,ANFs和AgNWs分别作为高性能基体和高效导电发热层,使电热膜兼具柔性、低电阻、高发热温度和快速热响应等特性。在低外施电压(0.5~5V)下,电热膜的最高发热温度可达200°C,获得稳定发热温度的响应时间低至10s。此外,由于银纳米线表面的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)与ANFs之间形成氢键作用,且银纳米线被部分嵌入ANF基体,从而使银纳米线与ANF基体之间具有良好的界面粘结作用,表现出优异的宏观力学性能。当AgNW面密度为0.4g/m2时拉伸强度和模量分别达到285.7 MPa和6.5 GPa。更重要的是,AgNWs表面包覆的致密ANF薄层对AgNWs具有保护作用,使柔性电热膜在空气中长时间发热、反复弯折、接触水或者溶剂等苛刻条件下都保持良好的电发热稳定性。此项工作为柔性、高性能电热膜的设计开发提供了一种简便高效的方法,所得柔性高性能电热膜在可穿戴设备、人工智能和高性能加热设备等新兴领域具有良好的应用潜力

  图1 ANF/AgNW纳米复合电热膜的制备示意图及断面形貌

  图2 ANF/AgNW纳米复合电热膜的电学、力学和发热性能

图3 柔性ANF/AgNW纳米复合电热膜在弯曲(a)、异形(b)、蒸汽(c)条件下的电发热行为及在个人热管理中的应用(d和e)

    研究成果以“High-Performance and Rapid-Response Electrical Heaters Based on Ultraflexible, Heat-Resistant, and Mechanically Strong Aramid Nanofiber/Ag Nanowire Nanocomposite Papers”为题发表在ACS Nano期刊上(ACS Nano, 2019, doi.org/10.1021/acsnano.9b00434)。陕西科技大学为论文的第一完成单位,陕西科技大学马忠雷副教授为第一作者兼通讯作者,陕西科技大学马建中教授、西北工业大学顾军渭教授为本文的共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金(51773169)、陕西省自然科学基础研究计划(2018JQ5060;2018JM5001)和陕西省教育厅专项科研计划项目(17JK0100)等的支持。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b00434

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文章关键词: 纳米纤维
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