石墨烯在热领域的特性及利用

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一．特性机理：在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。由石墨烯的导热系数经验公式可得如下图表从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。二．应用： 发热：由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比，1加热速度快（1min内达到稳定工作温度，而传统取暖如油汀需要20min才能达到稳定温度）；2电热辐射转换效率高（经第三方检测，电热辐射转换效率达80%以上），与传统取暖方式相比可节能省电；3石墨烯加热膜是整个面加热，温度均匀分布；4石墨烯加热膜与某些对人体有害辐射的取暖方式相比是安全的。例子：1制作理疗护具石墨烯的高导电、导热性能应用在理疗护具领域，利用石墨烯在发热过程中产生的远红外线，与人体波长相同，产生共振作用，形成热反应，深入皮下组织，使毛细血管扩张，促进血液循环，强化组织新陈代谢，提高机体免疫能力，排除疲劳，缓和酸痛，从而起到消炎、镇痛的理疗保健作用。2制作发热服石墨烯智能发热服将石墨烯独特的导热性能和日常穿戴完美结合，为人体营造温暖舒适的感受，通过手机端app的控制可以使得发热服迅速升温，产生对人体有益的远红外线，为生活带来更好的健康理疗体验，重新定义温暖。散热：石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。1石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备（如LED灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 例子：飞利浦MASTERLEDMR16新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的StanylTC导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐蚀。2石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料例子：苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。 储热：石墨烯具有高导热性这一特性在热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。应用最新的石墨烯材料，结合现有的工艺和设备，实现能耗的大幅下降，帮助传统产业满足越来越严格的环保法规，获得企业生存空间。原理：在热工设备中，热的传递主要有两种形式，一种是热能直接传递给物料，代表炉型是加热炉等，石墨烯材料可用在烟气余热回收上另外一种是热能先传递给导热储热材料再传递给物料，代表炉型为焦炉、热风炉等，石墨烯可用在开发高导热材料上1石墨烯相变储热材料在热风炉上可以得到应用，以取代目前的格子砖，减少设备体积。2在加热炉上，石墨烯相变储能材料则主要可以用来回收中低温烟气余热。在热处理炉上，可以利用石墨烯开发高导热涂料，减少燃料消耗。3石墨烯可以提升相变储热系统的效率，提高其温度均匀性，减少储热放热时间，该系统功率目前国际上已经做到2500kw/h以上，推广后可实现将工业废热转化为产生城市用热水的能源，实现工业企业变废为宝，城市优化了能源结构的双赢。