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[材料资讯] 马忠雷课题组开发出一种基于高强耐热芳纶纳米纤维的快速响应高温柔性电热膜

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发表于 2019-6-24 17:13:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
  本研究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(0.5~5 V)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10 s。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。

纳米复合电热膜

纳米复合电热膜
图1 ANF/AgNW纳米复合电热膜的制备示意图及断面形貌
  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。
论文信息及链接:
  Zhonglei Ma*, Songlei Kang, Jianzhong Ma*, Liang Shao, Ajing Wei, Chaobo Liang, Junwei Gu*, Bin Yang, Diandian Dong, Linfeng Wei and Zhanyou Ji. High-Performance and Rapid-Response Electrical Heaters Based on Ultraflexible, Heat-Resistant, and Mechanically Strong Aramid Nanofiber/Ag Nanowire Nanocomposite Papers. ACS Nano, 2019, doi.org/10.1021/acsnano.9b00434. (2018IF=13.903)
顾军渭,博士、西北工业大学教授、翱翔青年学者。2002、2006和2010年在西北工业大学分别获学士、硕士和博士学位。主要从事/功能一体化设计、制备及加工研究。现任理学院应用化学系主任、无人系统技术研究院智能材料与结构研究所副所长;兼任国家重点研发计划项目咨询专家、中国塑协专家委员会委员、中国复合材料学会青年工作委员会委员、中国复合材料学会纳米复合材料委员会委员、陕西省宇航学会复合材料技术及引用专委会委员;欧洲塑料工程师学会会员、中国材料研学会终身会员、中国复合材料学会会员、中国化学会会员和中国化工学会化工新材料委员会会员。担任期刊副主编,Current Nanomaterials期刊编委,Prog Mater Sci, J Mater Chem A, Nanoscale, Compos Sci Technol和复合材料学报等余个期刊通讯评审人。
马建中,汉族,山西沁水人,中共党员,男,1978-1983年在原西北轻工业学院皮革工程专业学习,毕业后留校在教务处工作;1986-1989年在原西北轻工业学院皮革化学与工程专业攻读硕士学位,毕业后在皮革工程系任教;1995-1998年在浙江大学高分子化学与物理专业攻读博士学位; 1999-2000年赴美国农业部东部地区皮革研究中心进行博士后合作研究。2004年10月-2005年1月在国家教育行政学院中青年干部培训班学习。1996-2000任皮革教研室主任;2000-2003任原西北轻工业学院皮革工程学院副院长;2003-2006任陕西科技大学皮革工程学院院长;2004-2007任陕西科技大学党委委员、校长助理;2007年9月起任陕西科技大学副校长。

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