郑州大学《Langmuir》：柔性网格石墨烯电热薄膜，用于管道/机翼去冰等

成果简介

柔性电热膜对于在寒冷天气中保护设备和系统至关重要，例如天然气管道中的冰堵塞和飞机机翼上的结冰。因此，柔性电加热器是工业运行中必不可少的设备之一。开发具有低工作电压、高稳态温度和良好机械稳定性的柔性电热膜是主要挑战之一。本文，郑州大学Bangbang Nie、Ronghan Wei等研究人员在《Langmuir》期刊发表名为“Flexible Grid Graphene Electrothermal Films for Real-Time Monitoring Applications”的论文，研究结合激光感应法和转印工艺，制造出了基于石墨烯图案结构的柔性电热膜。网格结构设计为电热膜的应用提供了精确的实时监测，在解决管道除冰和清除冰堵问题方面显示出了潜力。柔性电热膜在15V电压下可达到 165 ℃ 的高加热温度，并表现出足够的加热稳定性。通过采用简单高效的方法制造柔性高性能电热膜，我们为除冰和监测应用提供了可靠的解决方案。

图文导读

图1.（a） 柔性可拉伸石墨烯“激光诱导和转移”工艺的制造程序。（b） LIG的拉曼光谱。（c）采用激光诱导工艺制备了网格图案石墨烯。（d）PDMS基板上的结构化石墨烯图案。激光诱导的不同石墨烯结构图样：（e）花图、（f）郑州大学英文简称图样和（g）大熊猫图。

图2.（a）不同宽度的石墨烯线：（i）PI薄膜上的石墨烯和（ii）PDMS薄膜上的石墨烯。（b）石墨烯的SEM图像（i）在PI薄膜上和（ii）在PDMS薄膜上。（c） 石墨烯的厚度 （i） 在 PI 薄膜上和 （ii） 在 PDMS 薄膜上的厚度。（d） PI薄膜和PDMS薄膜上不同的线宽石墨烯电导率。（e）串联导电石墨烯线可以照亮一个小灯泡。

图3.（a） 物理尺寸为 （i） 474、（ii） 556、（iii） 716、（iv） 1055、（v） 1318 和 （vi） 1575 μm 的不同开网栅电热膜，以及 （b） 10 V 下的红外热像成像图像。（c） 在10 V的外加电压下不同网状电热膜的随时间变化的温度。（d） 1575 μm宽的电热薄膜在不同施加电压下随时间变化的温度。（e） 电热膜中温度与电压平方的关系。（f） 石墨烯电热薄膜在阶梯电压下的温度调节能力。

图4.（a）在10 V电压下加热2 h的石墨烯电热薄膜的温度稳定性测试输出。（b） 温度变化和ΔR/R0在拉伸循环下。（c）Δ R/R0柔性电热膜在3000次拉伸循环下。（d） 加热后电热膜的柔韧性评估。

图5.（a）通过加热柔性电热膜，可以在栅极两侧清楚地观察到温度传感层的颜色变化。正面颜色 （i，ii） 和背面颜色 （iii，iv） 的变化。（b） 电热膜表面的冰迅速融化。（c）网格化石墨烯电热膜缓解了冰堵塞：（i）模拟管道冰塞;（ii）冰融化;以及 （iii） 红色墨水流、冰塞故障排除。

小结

通过激光感应法和转印工艺的结合，制备了一种基于嵌入式石墨烯网格的柔性电热薄膜。网格结构的设计使电热膜具有一定的整体透明度。可以通过石墨烯线之间的透明网格实时观察加热。石墨烯网格结构的电导率可以通过优化石墨烯线宽来调节。对于线宽为1575μm的柔性电热膜，在15V的外加电压下可以达到165°C的高温。柔性电热膜可以包裹在需要加热的器件表面，网格设计保证实时检测，在除冰、加热等领域展现出巨大的应用前景。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c03975