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    中國(guó)陶瓷網(wǎng)訊 2017年3月5日上午，十二屆全國(guó)人大五次會(huì)議召開(kāi)。李克強(qiáng)總理在政府工報(bào)告中強(qiáng)調(diào)：要快解決燃煤污染問(wèn)題。全面實(shí)施散煤綜合治理，推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，完成以電代煤、以氣代煤300萬(wàn)戶以上，全部淘汰地級(jí)以上城市建成區(qū)燃煤小鍋爐。對(duì)此，各地都陸續(xù)出臺(tái)了地方的以電代煤的補(bǔ)貼和實(shí)施政策，例如，河南省為進(jìn)一步做好電能替代打包交易，降低居民冬季取暖用電成本，增強(qiáng)人民群眾的幸福感和獲得感，各地要按照“企業(yè)為主、政府推動(dòng)、居民可承受”的指導(dǎo)方針，在集中供熱管網(wǎng)未覆蓋區(qū)域，以村莊(自然村)、社區(qū)(小區(qū))為單位整體推進(jìn)居民電能清潔取暖，鼓勵(lì)熱力公司、能源服務(wù)公司、物業(yè)公司等社會(huì)企業(yè)投資建設(shè)熱泵、蓄熱電鍋爐、電熱膜、發(fā)熱電纜、碳晶等電能供暖設(shè)施，并進(jìn)行集中運(yùn)營(yíng)管理。一時(shí)間各種電取暖產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)，并在市場(chǎng)上大面積的推廣。就目前市面上銷(xiāo)售的電取暖產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，主要分為如下幾種：空氣能熱泵、電熱膜、發(fā)熱電纜/絲、碳發(fā)熱材料等。本文就當(dāng)下流行的碳材料類(lèi)發(fā)熱板——石墨烯/碳晶板/碳纖維發(fā)熱板等進(jìn)行分析，特別對(duì)印刷碳材料電發(fā)熱板（石墨烯發(fā)熱芯片）進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

　　1、碳材料類(lèi)發(fā)熱的特點(diǎn)

　　碳材料發(fā)熱的原理是，在外部電流作用下，運(yùn)動(dòng)的電子與離子發(fā)生激烈的碰撞，高速摩擦產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)熱能，從而釋放熱量。碳發(fā)熱材料相對(duì)于金屬發(fā)熱材料，最大的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性能好，使用壽命長(zhǎng)，其輻射傳熱效果好，空間制熱速度快。但是其缺點(diǎn)是在高溫下易被氧化，因此，使用過(guò)程中要做好與空氣隔離。因此，對(duì)于有裸露接頭的地方，如碳纖維與電源線的連接處，在使用過(guò)程中會(huì)被逐步氧化，從而提高線損，影響制熱效率。

　　2、印刷型碳材料發(fā)熱板

　　印刷型碳材料發(fā)熱板主要分為兩種形式，一種是大面積印刷碳粉型（如圖1所示），另一種是蜂窩型（如圖2所示）。印刷型碳材料發(fā)熱板系統(tǒng)充分利用了印刷碳材料優(yōu)異的平面制熱特性，采暖時(shí)整個(gè)平面同步升溫，連續(xù)供暖，熱平衡效果好?？朔藗鹘y(tǒng)采暖產(chǎn)品制熱不連續(xù)、熱平衡效果差的弊端。印刷型碳材料發(fā)熱板在通電后發(fā)熱迅速，十幾秒內(nèi)溫度便可迅速升高，并可以恒定的溫度對(duì)外進(jìn)行加熱，產(chǎn)品具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)和溫度可控等特點(diǎn)，使用成本僅為普通電采暖的一半左右。在發(fā)熱均勻性、安全性、耐候性、電熱轉(zhuǎn)換效率和紅外輻射率等指標(biāo)上均比普通采暖產(chǎn)品有大幅度的改進(jìn)和提高。

圖1 大面積印刷碳材料發(fā)熱板

圖2 蜂窩型印刷碳材料發(fā)熱板

　　但是，這類(lèi)碳材料發(fā)熱板，由于是采用一次或多次印刷工藝，印刷過(guò)程中的瑕疵，會(huì)造成該位置發(fā)熱異常，直接導(dǎo)致電發(fā)熱板燒壞（圖3）。同時(shí)，由于印刷在基膜上，其與電源線相連接的地方，極易在鉚接或焊接的過(guò)程中，形成接觸電阻，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處溫度異常升高，燒壞節(jié)點(diǎn)；在蜂窩型電發(fā)熱板中與各發(fā)熱單元連接的導(dǎo)電材料需要與每一單元連接緊密，就目前市面上銷(xiāo)售的產(chǎn)品來(lái)看，主要是采用銅片或者印刷導(dǎo)電銀漿連接（圖4），由于在安裝使用過(guò)程中的彎折問(wèn)題，采用銅片連接的會(huì)存在松動(dòng)或分離現(xiàn)象，形成接觸電阻，燒壞發(fā)熱板。因此，這類(lèi)型電發(fā)熱板，需要在嚴(yán)格的安全檢查后，才可以鋪貼使用。鋪貼過(guò)程中也要防止強(qiáng)烈的碰撞和彎折。

圖3 印刷缺陷引起的起火燒壞現(xiàn)象

圖4 發(fā)熱板內(nèi)部發(fā)熱單元連接方式

　　3、碳材料發(fā)熱板加入石墨烯的好處

　　在印刷型材料發(fā)熱板中加入石墨烯的核心作用主要是提高其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，根據(jù)廣東芬芳陶瓷有限公司與華南理工大學(xué)的聯(lián)合檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，添加有石墨烯的印刷碳材料發(fā)熱板，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能提升可達(dá)到5~10%左右，紅外輻射傳熱性能提高5-8%，對(duì)印刷型碳材料發(fā)熱板的效率有一定的提升。

　　4、印刷碳電發(fā)熱板（石墨烯發(fā)熱芯片）的安全檢驗(yàn)

　　對(duì)于碳材料發(fā)熱板的安全性來(lái)說(shuō)，最重要的地方還是碳材料與電源的接頭處（接線端子，圖5）的安全問(wèn)題，對(duì)于印刷的碳材料來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)封裝后，被氧化的幾率小，因此經(jīng)過(guò)工廠的檢測(cè)后，一般在后期出問(wèn)題的概率小。但是對(duì)于接線端子，由于其需要采取鉚接工藝，鉚接后的接頭需要焊接或者鉸接電源線，在鉚接或者焊接的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致鉚接頭與發(fā)熱板接觸點(diǎn)松動(dòng)，形成接觸電阻，進(jìn)而在通電的過(guò)程中發(fā)熱而燒壞接點(diǎn)（圖6）?？梢酝ㄟ^(guò)采用紅外熱成像儀方便的檢測(cè)。

圖5 發(fā)熱板接線端子鉚接點(diǎn)

圖6 檢測(cè)過(guò)程中接線端子正常/異常情況

　　因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，要嚴(yán)格檢驗(yàn)接線端子的安全性能，在實(shí)際的鋪貼使用過(guò)程中也盡量不要按壓接線端子，以免被按壓松動(dòng)后，形成接觸電阻，在使用過(guò)程中燒壞接點(diǎn)。

　　印刷碳電發(fā)熱板抗氧化性能好，長(zhǎng)期使用熱損耗小，是理想的電暖產(chǎn)品，其廣泛安全的應(yīng)用，需要嚴(yán)格的品質(zhì)把關(guān)，如果能夠很好的解決質(zhì)量問(wèn)題，將擁有廣泛的市場(chǎng)前景。

    （作者系華南理工大學(xué)材料學(xué)博士，生物醫(yī)學(xué)工程博士后，碩士生校外導(dǎo)師；化工高級(jí)工程師，中國(guó)顆粒制備與處理委員會(huì)理事，佛山市禪城區(qū)陶瓷行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，廣東芬芳陶瓷有限公司董事長(zhǎng)）