Grafen, et enkelt lag med karbonatomer arrangert i et sekskantet gitter, har blitt brukt i ulike industrier siden isolasjonen i 2004. Blant de mange bruksområdene, grafenvarmefilmer har dukket opp som en lovende teknologi innen termisk styring, og tilbyr fordeler i forhold til tradisjonelle varmeelementer, inkludert høy effektivitet, jevn oppvarming og fleksibilitet. Som et foretak som uavhengig har utviklet den elektriske varmefilmen «Holy Red» i grafen, har Shengxihong gjennomført grundige undersøkelser av dens sammensetning, de vitenskapelige prinsippene som ligger til grunn for varmegenereringen, og oversettelsen av disse funksjonene til praktisk ytelse.

Strukturell design av grafenvarmefilmer

Grafen-varmefilmer er konstruert som flerlagsstrukturer, der hver komponent spiller en kritisk rolle for å sikre effektiv varmegenerering og sikker drift.

Grafenlaget

Kjernekomponenten i en grafen varmefilm ligger i grafenlaget, som fungerer som det primære varmeelementet. Grafen som brukes i disse filmene syntetiseres vanligvis gjennom metoder som kjemisk dampavsetning (CVD) eller væskefase-eksfoliering, noe som resulterer i tynne, fleksible ark av sammenkoblede grafen-nanoark. Disse nanoarkene danner et ledende nettverk som lar elektroner flyte fritt, en egenskap som er avledet fra grafens eksepsjonelle elektriske ledningsevne, omtrent 10⁶ S/m, som langt overgår den for de fleste metaller.

Basalsubstrat

Grafenlaget støttes av et basalsubstrat, vanligvis laget av isolerende materialer som polyetylentereftalat (PET), polyimid (PI) eller glassfiber. Dette substratet gir mekanisk stabilitet, og forhindrer at det skjøre grafenlaget rives, samtidig som det sikrer elektrisk isolasjon for å unngå kortslutninger. Valget av substrat avhenger av bruksområdet: PET er foretrukket for lavtemperaturbruk (opptil 80 °C) på grunn av kostnadseffektivitet og fleksibilitet, mens PI brukes i høytemperaturscenarier (opptil 200 °C) på grunn av varmebestandigheten.

Ledende elektroder

Langs grafenlaget sitter ledende elektroder, ofte laget av kobber eller sølv, som forsyner grafennettverket med elektrisk strøm. Disse elektrodene er utformet i et samleskinnemønster, parallelle strimler langs kantene av filmen, for å sikre jevn strømfordeling over hele grafenlaget. Ujevn elektrodedesign kan føre til varme punkter, noe som reduserer effektivitet og levetid. I tillegg legges ofte et beskyttende topplag (f.eks. gjennomsiktig polyuretan eller silikon) til for å beskytte filmen mot fuktighet, støv og fysisk skade, noe som gjør den egnet for tøffe miljøer som bad eller utendørsmiljøer.

Den strukturelle integrasjonen av grafen-varmefilm er presis: grafenlaget må avsettes jevnt på underlaget for å unngå hull i det ledende nettverket, og elektrodene må ha tett kontakt med grafenet for å minimere kontaktmotstanden. Moderne produksjonsteknikker, som rull-til-rull-trykking, muliggjør storskalaproduksjon av disse filmene med jevn kvalitet, noe som sikrer at hver enhet opprettholder samme varmeytelse.

Med en klar forståelse av sammensetningen er det neste kritiske aspektet å avdekke hvordan disse komponentene fungerer sammen for å effektivt omdanne elektrisk energi til varme.

Elektrotermisk konverteringsmekanisme

Funksjonen til en grafen-varmefilm, å konvertere elektrisk energi til termisk energi, er basert på prinsippet om Joule-oppvarming, også referert til som resistiv oppvarming. Når en elektrisk strøm passerer gjennom et ledende materiale, kolliderer elektronene i materialet med atomene i gitterstrukturen, og overfører kinetisk energi til atomene og øker deres vibrasjonsbevegelse. Denne økte vibrasjonen manifesterer seg som varme, som deretter utstråles eller ledes utover fra materialet.

①Struktur

Grafens struktur forsterker effektiviteten til denne prosessen. I grafen er hvert karbonatom bundet til tre nærliggende atomer i et plant heksagonalt arrangement, slik at ett valenselektron kan bevege seg fritt gjennom gitteret. Disse delokaliserte elektronene viser høy mobilitet (opptil 200,000 40,000 cm²/V·s ved romtemperatur), noe som betyr at de kan flyte med minimal motstand sammenlignet med elektroner i metaller som kobber (≈XNUMX XNUMX cm²/V·s). Lavere motstand reduserer energitap som spillvarme under elektronflyt, noe som gjør at en høyere andel elektrisk energi kan omdannes til brukbar varme. Grafen-varmefilmer oppnår vanligvis energiomformingseffektiviteter på 90 % eller høyere, sammenlignet med 60–70 % for tradisjonelle resistive ledninger.

②Ensartethet i varmefordelingen

En annen nøkkelfaktor er ensartetheten i varmefordelingen. Det sammenkoblede nettverket av grafen-nanoplater sikrer at strømmen flyter jevnt over hele filmen. I motsetning til tradisjonelle varmeelementer (f.eks. nikromtråder), som konsentrerer varme langs tråden og skaper ujevne temperaturgradienter, sprer grafens todimensjonale struktur strømmen over et stort overflateareal. Denne ensartetheten forsterkes av den høye varmeledningsevnen til grafen (≈5000 W/m·K), som lar varmen forsvinne raskt fra genereringspunkter til tilstøtende områder, og forhindrer varmepunkter. Fononer, kvanta for vibrasjonsenergi, spiller en avgjørende rolle her: de sterke karbon-karbonbindingene i grafen muliggjør effektiv fonontransport, noe som sikrer at varmen sprer seg raskt og jevnt over filmen.

③Responstid

Reaksjonstiden til grafenfilmer er også bemerkelsesverdig. På grunn av grafenlagets lave masse og høye varmeledningsevne, når filmen sin måltemperatur i løpet av sekunder etter at den er slått på. Denne raske oppvarmingen er et resultat av direkte omdannelse av elektrisk energi til varme uten behov for mellomliggende energilagring, i motsetning til noen varmesystemer som er avhengige av å varme opp en stor masse (f.eks. oljefylte radiatorer). For eksempel kan en typisk grafenfilm som brukes i boligoppvarming nå 50 °C i løpet av 10–15 sekunder, sammenlignet med 2–3 minutter for en tradisjonell elektrisk varmeovn.

④Temperaturregulering

Temperaturregulering er et annet kritisk aspekt ved mekanismen. Mange grafen-varmefilmer er integrert med temperatursensorer og kontrollere som justerer strømflyten basert på ønsket temperatur. Når filmen når den innstilte temperaturen, reduserer eller kutter kontrolleren strømmen, noe som forhindrer overoppheting. Dette forbedrer ikke bare sikkerheten, men optimaliserer også energiforbruket, ettersom filmen bare bruker strøm når det er nødvendig.

Etter å ha utforsket vitenskapen bak varmegenerering, er det viktig å undersøke hvordan disse mekanismene oversettes til ytelse i den virkelige verden, og hvorfor grafen-varmefilmer får stadig større oppmerksomhet i ulike bruksområder.
 

Praktisk ytelse og fordeler i applikasjoner

Den unike kombinasjonen av strukturell design og elektrotermiske egenskaper gir grafen-varmefilmer en rekke ytelsesfordeler som gjør dem overlegne tradisjonelle varmeteknologier i mange scenarier. Disse fordelene er mest tydelige i deres praktiske anvendelser, som spenner over bolig-, bil-, medisin- og industrisektoren.

①Boligoppvarming

En av de mest bemerkelsesverdige fordelene er jevn oppvarming. For eksempel i boligoppvarming grafenfilmer Installert under gulv eller tapet fordeler varmen jevnt over rommet, og eliminerer kalde punkter som er vanlige med radiatorer eller tvangsluftssystemer. Denne ensartetheten forbedrer ikke bare komforten, men reduserer også energisvinn, ettersom hele rommet når ønsket temperatur uten å overopphete bestemte områder. Studier har vist at rom oppvarmet med grafenfilmer krever 15–20 % mindre energi for å opprettholde en jevn temperatur sammenlignet med konvensjonelle systemer, hovedsakelig på grunn av denne jevne varmefordelingen.

②Bilapplikasjoner

Energieffektivitet er en annen viktig fordel. Som nevnt tidligere minimerer grafens høye elektriske ledningsevne resistive tap, noe som sikrer at mesteparten av den tilførte energien omdannes til varme. I bilindustrien er denne effektiviteten kritisk: grafenfilmer som brukes til setevarme eller avdugging av frontruter bruker mindre strøm fra kjøretøyets batteri, noe som forlenger rekkevidden til et elektrisk kjøretøy. For eksempel bruker en grafenbasert setevarmer omtrent 10–15 W per sete, sammenlignet med 20–30 W for tradisjonelle ledningsbaserte varmere, noe som reduserer belastningen på batteriet med opptil 50 %.

③Medisinske enheter

Fleksibiliteten og tynnheten til grafen-varmefilmer utvider bruksområdet deres. I motsetning til stive varmeelementer (f.eks. keramiske varmeovner), kan grafenfilmer bøyes, rulles eller kuttes i tilpassede former, noe som gjør dem egnet for buede overflater som bildashbord eller uregelmessig formede medisinske apparater. Innenfor bærbar teknologi gir for eksempel fleksible grafenfilmer integrert i hansker eller jakker målrettet varme uten å begrense bevegelse, en funksjon som er umulig med større tradisjonelle varmeovner.

Rask responstid forbedrer brukervennligheten i tidssensitive applikasjoner. I medisinske omgivelser kan grafenfilmer som brukes til varmkompressbehandling nå ønsket temperatur (40–45 °C) i løpet av sekunder, slik at helsepersonell raskt kan justere behandlingen basert på tilbakemeldinger fra pasienter. På samme måte kan grafenvarmere modulere varmeutbyttet i sanntid i industrielle prosesser som krever presis temperaturkontroll, for eksempel tørking av tynne filmer eller herding av lim. Dette forbedrer prosesseffektiviteten og produktkvaliteten.

Holdbarhet og lang levetid er også viktig. De beskyttende lagene og de robuste substratmaterialene sikrer at grafenfilmer tåler gjentatt bøying, temperatursykluser og eksponering for fuktighet. I tester har grafenfilmer av høy kvalitet vist en levetid på over 100,000 11 timer kontinuerlig drift, tilsvarende mer enn 10,000 års bruk, og langt overstiger de 30,000 XNUMX–XNUMX XNUMX timene som er typiske for nikromtrådvarmere. Denne levetiden reduserer vedlikeholdskostnadene, noe som gjør dem kostnadseffektive på lang sikt til tross for høyere initialinvestering.

Selv om utfordringer som produksjonskostnader (på grunn av grafensyntese av høy kvalitet) og skalerbarhet fortsatt er til stede, tar kontinuerlige fremskritt innen produksjon, som utvikling av rimeligere eksfolieringsmetoder og rull-til-rull-produksjon, jevnt og trutt opp disse problemene. Som et resultat blir grafen-varmefilmer stadig mer tilgjengelige, med markedsvekstprognoser som anslår en årlig vekstrate på 25–30 % i løpet av det neste tiåret.

Shaanxi Shengxihong Science and Technology Co., Ltd. er forpliktet til å fremme bruken av grafenbaserte teknologier gjennom kontinuerlig innovasjon og produksjon av høy kvalitet. Med en omfattende portefølje som inkluderer elektriske varmefilmer, bærbare grafenenheter og fysioterapiprodukter, tilbyr selskapet pålitelige løsninger for ulike industribehov. Med støtte fra 17 bruksmodellpatenter og over 30 utmerkelser, står Shengxihong som en pålitelig partner innen funksjonelle materialer og smart oppvarming. For samarbeidsmuligheter, produktforespørsler eller ytterligere informasjon, vennligst kontakt oss at 1315363763@qq.com.

Referanser

• Novoselov, KS, Geim, AK, Morozov, SV, Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, SV, Grigorieva, IV, & Firsov, AA (2004). Elektrisk felteffekt i atomtynne karbonfilmer. Vitenskap, 306 (5696), 666-669.
• Balandin, AA, Ghosh, S., Bao, W., Calizo, I., Teweldebrhan, D., Miao, F., og Lau, CN (2008). Overlegen varmeledningsevne til enkeltlagsgrafen. Nano Letters, 8 (3), 902-907.
• Zhang, X., Li, Z., og Wang, C. (2016). Grafenbaserte fleksible varmefilmer: Fremstilling, egenskaper og anvendelser. Journal of Materials Chemistry C, 4 (38), 8907-8924.
• Li, M., Liu, Z., og Chen, J. (2019). Joule-oppvarming i grafen: Grunnleggende prinsipper og anvendelser. Avanserte funksjonelle materialer, 29 (22), 1808296.
• Wang, H., Zhang, L., og Zhao, X. (2021). Nyere fremskritt innen grafenbaserte varmematerialer: Struktur, egenskaper og anvendelser. Chemical Engineering Journal, 416, 129056.
• Smith, RJ, & Johnson, LM (2020). Energieffektivitetsanalyse av grafen-varmefilmer i boligbygg. Anmeldelser av fornybar og bærekraftig energi, 123, 109792.