本發(fā)明涉及電熱復合材料，尤其涉及一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜及其制備方法和應用。

背景技術：

1、傳統(tǒng)的日用電加熱裝置具有能耗高、使用壽命短、自重大、不易集成的缺點，且伴隨使用時間的增長面臨元件老化以及短路等安全隱患。隨著電子器件小型化和集成化的發(fā)展趨勢，具有“輕，薄，韌”特性的電熱裝置受到了人們的廣泛關注。石墨烯具有優(yōu)異的導電性、較高的熱導率、楊氏模量和電熱轉換效率等特點在電熱轉換領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。

2、然而，二維石墨烯由于π-π長程共軛結構會導致二維石墨烯片層堆疊，造成石墨烯固有特性的衰減，構筑具有三維網(wǎng)絡支撐結構的石墨烯不僅能有效避免片層堆疊，并能保留石墨烯的固有特性。然而，傳統(tǒng)的石墨烯制備方法中，或者是利用濕化學法，需要強酸或者強氧化劑參與反應，容易引入雜質(zhì)和缺陷，降低石墨烯的晶體質(zhì)量；或者是在反應室內(nèi)，輔以高溫，高壓甚至超真空等苛刻的實驗條件和工藝，制備的石墨烯需要經(jīng)過額外的處理，并且成本高昂，不利于石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用。近年來，利用高能束流在含碳前驅(qū)體表面原位輻照制備三維石墨烯的技術已經(jīng)得到了廣泛的研究。高能束流加工技術具有綠色環(huán)保、能量密度高、工藝簡單、空間控制性良好和可規(guī)?；纫幌盗袃?yōu)點，在石墨烯制備及其陣列化、圖案化過程中是一種理想的選擇。在高能束流中，co2紅外激光成本低廉熱源制備的石墨烯具有晶體質(zhì)量高、原位大面積制備、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。

3、然而，在電壓驅(qū)動下，由于集流體與石墨烯界面處的存在界面電阻，大面積的石墨烯晶體膜由于電子傳輸路徑變長，電阻變大，會導致加熱不均勻。此外，石墨烯晶體膜在實際應用中，尤其與其他裝置集成時，其力學性能有待進一步提高。

技術實現(xiàn)思路

1、基于此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，制備得到的石墨烯電熱晶體膜具有良好的電熱轉化效率，均勻的面加熱能力，并兼具優(yōu)異的力學性能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、本發(fā)明提供的一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其包括以下步驟：

4、由二酐和二胺進行縮聚反應，合成聚酰胺酸溶液；

5、將所述聚酰胺酸溶液固化形成改性聚酰亞胺薄膜，將所述改性聚酰亞胺薄膜于高能束流下原位輻照，得到具有三維分級多孔結構的蜂巢陣列分布的石墨烯；

6、利用集流體將所述蜂巢陣列分布的石墨烯并聯(lián)，即得石墨烯電熱晶體膜。

7、本發(fā)明利用二酐和二胺進行縮聚反應合成聚酰胺酸溶液，改變聚酰亞胺的分子構型，能夠使得聚酰亞胺分子鏈之間形成致密的鏈纏結，修飾聚酰亞胺分子結構特性，有效提高了聚酰亞胺薄膜的力學性能，并使聚酰亞胺的熱敏感性得到了改善，從而有效控制了高能束流對聚酰亞胺中分子的光熱響應機制，得到了高晶體質(zhì)量石墨烯，石墨烯的電子傳輸效率得到了進一步提高，當電流輸入時，電子移動過程中產(chǎn)生了大量的電阻熱；同時將石墨烯采用蜂巢陣列式排布，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電熱換效率以及界面均勻加熱。

8、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述縮聚反應具體步驟為：將二胺溶于有機溶劑中，均勻攪拌，待完全溶解后，分批次緩慢加入二酐，在冰浴條件下反應8～12h，生成粘稠狀的聚酰胺酸溶液。

9、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述二胺、所述二酐的摩爾比為1:1～5，優(yōu)選為1:1。

10、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述二酐選自四羧酸二酐、均苯四甲酸二酐、苯酐二酐、雙酚a酐、六氟二酐中的一種；優(yōu)選為四羧酸二酐。

11、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述二胺選自4,4'-二氨基二苯醚、對苯二胺、3,3',4,4'-四氨基聯(lián)苯、3,3'-二氨基二苯甲烷、2,2'-二氨基聯(lián)苯、4,4'-二氨基二苯甲烷中的一種，優(yōu)選為4,4'-二氨基二苯醚。

12、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述有機溶劑選自n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的一種，優(yōu)選為n,n-二甲基乙酰胺。

13、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述冰浴條件的溫度為0-5℃，優(yōu)選為0℃。

14、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，將所述聚酰胺酸溶液固化形成聚酰亞胺薄膜的具體步驟為：將聚酰胺酸溶液均勻涂覆在玻璃板上，置于鼓風干燥箱中采用程序升溫加熱，經(jīng)熱亞胺化反應后形成改性聚酰亞胺薄膜。

15、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述程序升溫加熱是以5℃/min的升溫速率進行升溫并在60℃、80℃、100℃、140℃、180℃、200℃、240℃下分別保溫1h。

16、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，所述高能束流選自電子束、激光束和離子束中的一種。

17、作為本發(fā)明上述方案的進一步改進，高能束流原位輻照過程中，激光的功率為8w，掃描線間距為0.12mm，掃描速度為160mm/s；優(yōu)選地，所述高能束流為co2紅外激光，其波長為10600nm。

18、本發(fā)明的第二個目的是提供一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜，其采用如前所述的制備方法制備得到的。

19、本發(fā)明的第三個目的是提供一種如前所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜在電熱裝置中的應用。

20、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、本發(fā)明根據(jù)不同的需求使用不同的二酐和二胺進行縮聚反應合成聚酰胺酸溶液，聚酰胺酸溶液固化形成改性聚酰亞胺薄膜，改變聚酰亞胺的分子構型，能夠使得聚酰亞胺分子鏈之間形成致密的鏈纏結，修飾聚酰亞胺分子結構特性，有效提高了聚酰亞胺薄膜的力學性能，并使聚酰亞胺的熱敏感性得到了改善，從而有效控制了高能束流對聚酰亞胺中分子的光熱響應機制，得到了高晶體質(zhì)量石墨烯，石墨烯的電子傳輸效率得到了進一步提高，當電流輸入時，電子移動過程中產(chǎn)生了大量的電阻熱；同時將石墨烯采用蜂巢陣列式排布，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電熱換效率以及界面均勻加熱。

22、本發(fā)明提供的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜具有良好的電熱轉化效率，均勻的面加熱能力，并兼具優(yōu)異的力學性能，具有較好的應用前景。

技術特征：

1.一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述縮聚反應具體步驟為：將二胺溶于有機溶劑中，在冰浴條件下均勻攪拌，待完全溶解后，分批次緩慢加入二酐，反應8～12h，生成粘稠狀的聚酰胺酸溶液。

3.根據(jù)權利要求1所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述二胺、所述二酐的摩爾比為1:1～5。

4.根據(jù)權利要求1所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述二酐選自四羧酸二酐、均苯四甲酸二酐、苯酐二酐、雙酚a酐、六氟二酐中的一種；

5.根據(jù)權利要求2所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑選自n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的一種；

6.根據(jù)權利要求1所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，將所述聚酰胺酸溶液固化形成聚酰亞胺薄膜的具體步驟為：將聚酰胺酸溶液均勻涂覆在玻璃板上，置于程序升溫鼓風干燥箱中升溫加熱，經(jīng)熱亞胺化反應后形成改性聚酰亞胺薄膜。

7.根據(jù)權利要求6所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述程序升溫過程是以5℃/min的升溫速率進行升溫并在60℃、80℃、100℃、140℃、180℃、200℃、240℃下分別保溫1h。

8.根據(jù)權利要求1所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜的制備方法，其特征在于，所述高能束流選自電子束、激光束和離子束中的一種；

9.一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜，其特征在于，其采用如權利要求1-8任一項所述的制備方法制備得到的。

10.一種如權利要求9所述的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜在電熱裝置中的應用。

技術總結
本發(fā)明涉及一種蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜及其制備方法和應用，所述制備方法包括以下步驟：由四羧酸二酐和二胺進行縮聚反應，合成聚酰胺酸溶液；將所述聚酰胺酸溶液固化形成改性聚酰亞胺薄膜，將所述改性聚酰亞胺薄膜于高能束流下原位輻照，得到具有三維分級多孔結構的蜂巢陣列分布的石墨烯；利用集流體將所述蜂巢陣列分布的石墨烯并聯(lián)，即得石墨烯電熱晶體膜。本發(fā)明制得的蜂巢陣列式石墨烯電熱晶體膜具有良好的電熱轉化效率，均勻的面加熱能力，并兼具優(yōu)異的力學性能。

技術研發(fā)人員：劉翠,郭威,程華威,陳立清,張淑東,張繼祥
受保護的技術使用者：安徽中科幗風新材料科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19