CN107166490A - 一种石墨烯复合材料地暖砖 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯复合材料地暖砖，地一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层为石墨烯复合材料，该电热层的组成材料为，石墨烯、银、氧化铝。本发明地暖砖解决了现有地暖砖存在的问题，具有升温速度快，功率稳定，热膨胀系数小的优点。

Description

一种石墨烯复合材料地暖砖
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种石墨烯复合材料地暖砖。
背景技术
2004 年在英国曼彻斯特大学， Geim 和 Novoselov 通过机械剥离的方法首次获得了室温下能够稳定存在的，具有近乎完美二维结构的石墨烯，并且他们发现了石墨烯一系列特殊的电学性质[2]。石墨烯是迄今为止最好的具有二维平面结构的材料，它的各种性质，包括力学性质、电学性质和导热性能等是人类发现的材料中最好的[3]。它独特的结构而引起的一系列优异性能激发起了各国学者研究的兴趣，各国均投入大量的人力物力进行开发研究。在地暖的电热层供暖领域，低温电热层因其热转化率高，寿命长等特点渐渐为大众所喜爱。现在的地暖砖电热层技术，主要分为石墨烯、碳晶电热层和碳纤维电热层。
现有碳晶电热层和碳纤维电热层的热稳定性欠缺，存在电阻会随着使用时间增长而有变化等问题，本发明在研究了上述缺点的基础上提出了一种石墨烯复合材料地暖砖。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种更安全可靠的、具有更好的热稳定性及加热速度快的石墨烯复合材料地暖砖，一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层为石墨烯复合材料，该电热层的组成材料为，石墨烯、银、氧化铝。
优选的，所述电热层的组成成份按重量份计为，石墨烯5~9份，银2~4份，氧化铝1~2份。
更优选的，根据权利要求2述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层的组成成份按重量份计为，石墨烯7份，银3份，氧化铝1份。
在石墨烯7份，银3份，氧化铝1份条件下，本发明石墨烯复合材料电热层通电测试结果良好，热膨胀系数小。
优选的，所述保温层组成成份为多孔膨化珍珠岩材料、聚酰亚胺。
更优选的，所述保温层组成成份多孔膨化珍珠岩材料与聚酰亚胺质量比为3~5。
更优选的，所述保温层组成成份多孔膨化珍珠岩材料与聚酰亚胺质量比为4。
在多孔膨化珍珠岩材料与聚酰亚胺质量比为4，时保温效果良好，与电热层配合使升温速度加快。
优选的，所述地暖砖的电热层由以下步骤制备a.将石墨烯、银、氧化铝球磨混合形成复合粉体；b.复合粉体与银通过压力浸渗方法制备石墨烯复合材料电热层。
优选的，所述银的粒径为15~28μm。
所述银粒径在上述范围内有利于其在石墨烯的附着。
优选的，所述地暖砖的电热层由以下步骤制备a.将石墨烯、银、氧化铝球磨混合形成复合粉体；b.复合粉体与银通过压力浸渗方法制备石墨烯复合材料电热层。
本发明的方法制备一种石墨烯复合材料地暖砖，主要是因为该方法所制备的材料具有分布均匀、界面结合良好以及节约时间等优点。
本发明采用球磨的方法一方面，球磨能够使得铝粉和氧化铝颗粒细化，石墨烯片层进一步减薄；同时，另一方面，球磨过程中伴随着电荷的转移，使得变形后的银粉和氧化铝颗粒表面富集了电子，这样一些带电的离子能够吸附石墨烯，使的石墨烯与银粉颗粒充分的接触，并且提高了结合力。
本发明对压力浸渗法制备的复合材料进行热挤压，一是提高了材料的致密度，使基体与石墨烯之间的界面结合强度变强，一个良好的界面保证了载荷的良好传递，从而提高了复合材料的强韧性；二是材料在挤压过程中，由于基体与石墨烯之间的剪切应力大于石墨烯片层之间的分子间结合力，使得多层石墨烯在挤压过程中片层能够错开，由多层变为少层，能够比较充分发挥石墨烯的增强作用，从而提高材料的性能；三是为了使石墨烯能够准定向排列，在挤压过程中，由于金属流动带来的剪切应力会使得石墨烯的排布趋向于一个方向，这也能在一定程度上提高复合材料电热层的力学性能。 对于传统复合材料电热层，挤压工艺一般只是起到了第一个作用，但是在本法名的石墨烯复合材料中，挤压工艺还有以上的后两个作用。
在本发明的一个实施例中，所述球磨的球磨时间为2h,转速为100r/min。
研究不同球磨时间对石墨烯复合材料影响，发现最佳球磨时间下弯曲强度提高了较大，由拉曼光谱的 R 值大小发现，随着球磨时间的增加，石墨烯的拉曼光谱的 R 值得变化趋势是，先增加后减少，并不是被持续破坏，石墨烯附着在银表面时会受到保护，不会被继续破坏。
若是球磨转速过低，会造成石墨烯的团聚，不能达到均匀分散的目的且石墨烯会分散在颗粒间，导致所制备的复合材料密度不均匀；若是转速过高，石墨烯片层在球磨过程中遭到撞击并破坏。
本发明的有益效果是：本发明石墨烯复合材料地暖砖，石墨烯，银，氧化铝之间相互协调，取长补短使制得的地暖砖导电性能，耐腐蚀性能大大提高，能够保证地暖砖在长时间过载和过热时保持连续性能稳定。保温层采用多孔膨化珍珠岩材料、聚酰亚胺材料保温效果好使得升温速度快，使人们很快可以享受温暖，热膨胀系数小，使地暖砖不易变形，使用寿命长。
具体实施方式
以下实施例所述的“份”，均为重量份。
实施例1
1）通过四边贴边条工艺，在瓷砖背面周边设置封闭层，与瓷砖背面共同围成一面开口的半封闭空间； 2）在瓷砖背面和封闭层围成的半封闭空间加入电热层；
电热层制备：
通过高能球磨机使1份的银与1份的氧化铝破碎，再加入7份石墨烯，球磨时间2h,转速为100r/min将铝粉与石墨烯充分混合均匀，并使得石墨烯吸附在铝片表面；然后将球磨之后的复合粉体放入真空干燥箱里面烘干备用；将烘干后的复合粉体放置于钢模具里面在水平压力机上压成预制块，将模具和其内的预制块放入高温炉子里面预热；最后将将预热完毕的模具放到水平压力机上，通过控制压头的压力使金属纯银液2份浸渗进去，并保压一段时间，等模具冷却之后脱模，从而制备出石墨烯复合材料电热层；
3）将多孔膨化珍珠岩8份与聚酰亚胺2份混合，然后将其充满半封闭空间，形成保温层；4）通过砂喷工艺完全封闭所述半封闭空间。
实施例2
1）通过四边贴边条工艺，在瓷砖背面周边设置封闭层，与瓷砖背面共同围成一面开口的半封闭空间 ； 2）在瓷砖背面和封闭层围成的半封闭空间加入电热层 ；
电热层制备：
通过高能球磨机使0.8份的银与2份的氧化铝破碎，再加入9份石墨烯，球磨时间3h, 转速为150r/min将铝粉与石墨烯充分混合均匀，并使得石墨烯吸附在铝片表面；然后将球磨之后的复合粉体放入真空干燥箱里面烘干备用；将烘干后的复合粉体放置于钢模具里面在水平压力机上压成预制块，将模具和其内的预制块放入高温炉子里面预热；最后将将预热完毕的模具放到水平压力机上，通过控制压头的压力使1.2份纯银液浸渗进去，并保压一段时间，等模具冷却之后脱模，从而制备出石墨烯复合材料电热层；
3）将多孔膨化珍珠岩6份与聚酰亚胺2份混合，然后将其充满半封闭空间，形成保温层； 4）通过砂喷工艺完全封闭所述半封闭空间。
实施例3
1）通过四边贴边条工艺，在瓷砖背面周边设置封闭层，与瓷砖背面共同围成一面开口的半封闭空间； 2）在瓷砖背面和封闭层围成的半封闭空间加入电热层；
电热层制备：
通过高能球磨机使1份的银与1份的氧化铝破碎，再加入5份石墨烯，球磨时间1h, 转速为80r/min将铝粉与石墨烯充分混合均匀，并使得石墨烯吸附在铝片表面；然后将球磨之后的复合粉体放入真空干燥箱里面烘干备用；将烘干后的复合粉体放置于钢模具里面在水平压力机上压成预制块，将模具和其内的预制块放入高温炉子里面预热；最后将将预热完毕的模具放到水平压力机上，通过控制压头的压力使金属3份纯银液浸渗进去，并保压一段时间，等模具冷却之后脱模，从而制备出石墨烯复合材料电热层；
3）将多孔膨化珍珠岩10份与聚酰亚胺2份混合，然后将其充满半封闭空间，形成保温层； 4）通过砂喷工艺完全封闭所述半封闭空间。
实施例4
将上述实施例1~3制备得地暖砖（以下称为地暖砖1~3），进行以下实验。
实验（1）
将地暖砖1~3进行通电测试，当给地暖砖加上一定的功率之后，记录 30天电压表与电流表的数值，时间间隔为 2 小时，记录电压的关系曲线呈良好的线性关系，呈现欧姆特征，随电压升高，电流增大。
实验（2）
将地暖砖1~3进行通电测试，电暖砖1：2.9分钟温度迅速升高，10分钟表面温度达到40℃；电暖砖2：4.5分钟温度迅速升高，15分钟表面温度达到40℃；电暖砖2：4分钟温度迅速升高，12分钟表面温度达到40℃。用石墨烯复合材料制备电热层热量主要以辐射形式传递，保温层保温效果好，使得地暖砖升温速度快。
实验（3）
将地暖砖1~3的进行热膨胀系数测试，用 DIL402CD 型热膨胀仪对材料的热膨胀性能进行测试，该设备的测温范围是-196℃~480℃，位移传感器的精度为 0.125nm，通入高纯氦气作为保护气氛，试样的尺寸为6×25mm，试样两端要求平行且光滑 。
实验（4）
将地暖砖1~3进行通电测试，当给地暖砖加上一定的功率之后，记录 30天电压表与电流表的数值，时间间隔为 2 小时，记录电压的关系曲线呈良好的线性关系，呈现欧姆特征，随电压升高，电流增大。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层为石墨烯复合材料，该电热层的组成材料为，石墨烯、银、氧化铝。
2.根据权利要求1述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层的组成材料按重量份计为，石墨烯5~9份，银2~4份，氧化铝1~2份。
3.根据权利要求2述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述电热层的组成材料按重量份计为，石墨烯7份，银3份，氧化铝1份。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述地暖砖还包括保温层组成材料为多孔膨化珍珠岩材料、聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述保温层组成材料多孔膨化珍珠岩材料与聚酰亚胺质量比为3~5。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述保温层组成材料多孔膨化珍珠岩材料与聚酰亚胺质量比为4。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述地暖砖的电热层由以下步骤制备a.将石墨烯、银、氧化铝球磨混合形成复合粉体；b.复合粉体与银通过压力浸渗方法制备石墨烯复合材料电热层。
8.根据权利要求7述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述银粉的粒径为15~28μm。
9.根据权利要求8所述的一种石墨烯复合材料地暖砖，其特征在于，所述球磨的球磨时间为2h,转速为100r/min。
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