芬芳石墨烯发热电暖系统漫谈碳材料发热

2017年3月5日上午，十二届全国人大五次会议召开。李克强总理在政府工报告中强调：要快解决燃煤污染问题。全面实施散煤综合治理，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。对此，各地都陆续出台了地方的以电代煤的补贴和实施政策，例如，河南省为进一步做好电能替代打包交易，降低居民冬季取暖用电成本，增强人民群众的幸福感和获得感，各地要按照“企业为主、政府推动、居民可承受”的指导方针，在集中供热管网未覆盖区域，以村庄(自然村)、社区(小区)为单位整体推进居民电能清洁取暖，鼓励热力公司、能源服务公司、物业公司等社会企业投资建设热泵、蓄热电锅炉、电热膜、发热电缆、碳晶等电能供暖设施，并进行集中运营管理。一时间各种电取暖产品如雨后春笋般出现，并在市场上大面积的推广。就目前市面上销售的电取暖产品来说，主要分为如下几种：空气能热泵、电热膜、发热电缆/丝、碳发热材料等。本文就当下流行的碳材料类发热板——石墨烯/碳晶板/碳纤维发热板等进行分析，特别对印刷碳材料电发热板（石墨烯发热芯片）进行系统的分析。

1、碳材料类发热的特点

碳材料发热的原理是，在外部电流作用下，运动的电子与离子发生激烈的碰撞，高速摩擦产生场效应热能，从而释放热量。碳发热材料相对于金属发热材料，最大的优势是稳定性能好，使用寿命长，其辐射传热效果好，空间制热速度快。但是其缺点是在高温下易被氧化，因此，使用过程中要做好与空气隔离。因此，对于有裸露接头的地方，如碳纤维与电源线的连接处，在使用过程中会被逐步氧化，从而提高线损，影响制热效率。

2、印刷型碳材料发热板

印刷型碳材料发热板主要分为两种形式，一种是大面积印刷碳粉型（如图1所示），另一种是蜂窝型（如图2所示）。印刷型碳材料发热板系统充分利用了印刷碳材料优异的平面制热特性，采暖时整个平面同步升温，连续供暖，热平衡效果好。克服了传统采暖产品制热不连续、热平衡效果差的弊端。印刷型碳材料发热板在通电后发热迅速，十几秒内温度便可迅速升高，并可以恒定的温度对外进行加热，产品具有高效、节能、经济、无污染、寿命长和温度可控等特点，使用成本仅为普通电采暖的一半左右。在发热均匀性、安全性、耐候性、电热转换效率和红外辐射率等指标上均比普通采暖产品有大幅度的改进和提高。

但是，这类碳材料发热板，由于是采用一次或多次印刷工艺，印刷过程中的瑕疵，会造成该位置发热异常，直接导致电发热板烧坏（图3）。同时，由于印刷在基膜上，其与电源线相连接的地方，极易在铆接或焊接的过程中，形成接触电阻，导致节点处温度异常升高，烧坏节点；在蜂窝型电发热板中与各发热单元连接的导电材料需要与每一单元连接紧密，就目前市面上销售的产品来看，主要是采用铜片或者印刷导电银浆连接（图4），由于在安装使用过程中的弯折问题，采用铜片连接的会存在松动或分离现象，形成接触电阻，烧坏发热板。因此，这类型电发热板，需要在严格的安全检查后，才可以铺贴使用。铺贴过程中也要防止强烈的碰撞和弯折。

图3 印刷缺陷引起的起火烧坏现象

3、碳材料发热板加入石墨烯的好处

在印刷型材料发热板中加入石墨烯的核心作用主要是提高其导电和导热性能，根据广东芬芳陶瓷有限公司与华南理工大学的联合检测发现，添加有石墨烯的印刷碳材料发热板，导电和导热性能提升可达到5~10%左右，红外辐射传热性能提高5-8%，对印刷型碳材料发热板的效率有一定的提升。

4、印刷碳电发热板（石墨烯发热芯片）的安全检验

    对于碳材料发热板的安全性来说，最重要的地方还是碳材料与电源的接头处（接线端子，图5）的安全问题，对于印刷的碳材料来说，经过封装后，被氧化的几率小，因此经过工厂的检测后，一般在后期出问题的概率小。但是对于接线端子，由于其需要采取铆接工艺，铆接后的接头需要焊接或者铰接电源线，在铆接或者焊接的过程中，会导致铆接头与发热板接触点松动，形成接触电阻，进而在通电的过程中发热而烧坏接点（图6）。可以通过采用红外热成像仪方便的检测。

    因此，在生产过程中，要严格检验接线端子的安全性能，在实际的铺贴使用过程中也尽量不要按压接线端子，以免被按压松动后，形成接触电阻，在使用过程中烧坏接点。

    印刷碳电发热板抗氧化性能好，长期使用热损耗小，是理想的电暖产品，其广泛安全的应用，需要严格的品质把关，如果能够很好的解决质量问题，将拥有广泛的市场前景。