CN115334701A - 一种加热器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源转化材料技术领域，特别涉及一种加热器及其制备方法和应用。所述加热器包括依次层叠的第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，所述功能层为石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜由包含0.5~3wt%石墨烯粉体，0.8~10wt%分散剂和10~40wt%有机树脂，余量为水的水性石墨烯导电浆料经丝网印刷而成。本发明的加热器具有轻薄高强、低电压、高效率、低能耗、长寿命、高可靠性、高集成度等优点，可以较容易地实现大面积大曲率随形加热。
Description
技术领域
本发明属于能源转化材料技术领域，特别涉及一种加热器及其制备方法和应用。
背景技术
加热器在日常生活以及各种工业生产中具有广泛的应用，目前的加热器主要为电加热器，即利用电能达到加热效果。传统的加热器往往采用电阻丝、热敏电阻等加热元件来实现将电能转化为热能，普遍存在重量大、体积大、能耗高、可靠性低、加热均匀性差等问题，且难以实现大面积大曲率的加热要求。另外，现有的电加热器，热源与热辐射体往往不是一个整体结构，在热传递过程中，会产生较大的热量散失，热能利用效率低，用电功耗大。
为克服上述问题，相关研究采用石墨烯薄膜作为加热元件，制成石墨烯复合材料加热器。目前，加热元件采用石墨烯材料的加热器普遍存在如下问题：（1）现有的石墨烯涂层加热器，往往以热塑成形封装，体积较大，重量较大，且受工作环境条件（温度、湿度等）影响大，加热效果不稳定，在一个较大的范围内波动，即使配合智能温控也难以达到好的加热效果。（2）现有公开发表的文献和专利中涉及的石墨烯薄膜加热器仅描述了理想的结构构型，并未结合制造方法及加热效果综合考虑加热结构的合理性。工程应用中，对于轻质量、薄壁结构的应用需求，很多理想的结构构型并不能成功制造，或者制造出来后其加热结构整体并不能实现一个较高的电热转换效率，实际工程应用意义不大。（3）现有的石墨烯薄膜加热器，多仅能用在100℃以下温度范围内，到了更高温度，薄膜加热器表面容易发生氧化反应，加热功率会发生衰减，无法达到使用要求。（4）现有的石墨烯薄膜加热器往往是柔性加热器，不能作为承载结构，且在外部载荷（如外部冲击载荷）作用下薄膜易发生破坏。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一方面是提出一种加热器，该加热器具有轻薄高强、低电压、高效率、低能耗、长寿命、高可靠性、高集成度等优点，可以较容易地实现大面积大曲率随形加热。
本发明的第二方面是提供所述加热器的制备方法，通过热压工艺对加热器中的各层结构进行一体化复合，能够满足实际工程应用。
本发明的第三方面是提供所述加热器的应用。
具体地，本发明采取如下的技术方案：
本发明的第一方面是提供一种加热器，所述加热器包括依次层叠的第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，所述功能层为石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜由包含0.5~3wt%石墨烯粉体，0.8~10wt%分散剂和10~40wt%有机树脂，余量为水的水性石墨烯导电浆料经丝网印刷而成。
石墨烯可以吸附各种原子和分子进行分离，具备良好的电热转化效率和导热性，石墨烯膜的形成方式对其加热性能具有重要影响。本发明采用水性石墨烯导电浆料通过丝网印刷的方式形成石墨烯加热膜，并作为加热器的关键加热部件，使得在温度升高时石墨烯加热膜中的各成分产生于其他成膜方式不同的分子胶粘力，进而影响加热器的加热效果。经测试，本发明的加热器高效稳定，加热效果受温度影响小，而且具有轻薄高强、低电压、高效率、低能耗、长寿命、高可靠性、高集成度等优点，可以较容易地实现大面积大曲率随形加热。
在本发明的一些实例中，所述水性石墨烯导电浆料包含0.5~3wt%石墨烯粉体，0.8~10wt%分散剂和30~40wt%有机树脂，余量为水。所述功能层的石墨烯加热膜主要组成分为石墨烯，以高电热转化效率为目的进行设计。
在本发明的一些实例中，所述水性石墨烯导电浆料包含2~3wt%石墨烯粉体，5~10wt%分散剂和30~40wt%有机树脂，余量为水。
在本发明的一些实例中，所述水性石墨烯导电浆料中，分散剂包括PVP、BYK-2150中的任意一种或多种；所述有机树脂包括醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酯树脂、氨基树脂中的任意一种或多种。该水性石墨烯导电浆料以水为溶剂，除了对石墨烯加热膜各组分的胶粘力具有影响，从而影响加热效果外，还具有绿色环保的优点。
在本发明的一些实例中，所述丝网印刷的网格数目为120~220目，优选150~200目。丝网印刷后经130~180℃（优选140~160℃）固化成膜，固化时间为10~50min，优选20~40min。通过该参数形成的膜厚一般≤2mm。
在本发明的一些实例中，所述加热器还包括若干复合材料铺层和均热层，所述加热器包括依次层叠的第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层，所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层分别独立选自纤维增强树脂基复合材料层。
在本发明的一些实例中，所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层分别独立地包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的任意一种或多种纤维增强的树脂基复合材料。该第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层能够起到结构加强的作用。优选地，所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层的尺寸相同。
在本发明的一些实例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层分别独立自聚酰亚胺（PI）膜、具备绝缘功能的复合材料铺层（例如玻璃纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强的树脂基复合材料）中的任意一种。其中，以PI膜作为绝缘层，可使加热器能够应用在高温环境下，增强其绝缘性，避免电路短路。
在本发明的一些实例中，所述第一均热层和第二均热层均为石墨烯导热膜。石墨烯导热膜的均热性良好，当功能层尺寸较小时，也能将热量快速传导至加热器的整个外表面。均热层可以将功能层产生的高热量快速有效地在平面内进行传导扩散，以增加结构整体对局部迅速升温带来的热应力的承载能力。优选地，所述均热层由石墨烯均热浆料制备形成，所述石墨烯均热浆料的组成包括1~10wt%石墨粉（一般的石墨粉中含有少量的石墨烯，因此所得均热浆料可称为石墨烯均热浆料），0.002~0.3wt%剥离剂和18~40wt%稀释剂，余量为溶剂。所述石墨粉可采用市售常用的石墨粉；所述剥离剂采用用于机械剥离制备石墨烯的通用剥离剂，例如可溶性碳酸盐、碳酸氢盐、铵盐、氨、尿素、偶氮化合物、磺酰肼类化合物、壳聚糖等中的一种或多种；所述稀释剂包括环氧稀释剂、无水乙醇等中的任意一种或多种。所述石墨烯均热浆料为有机浆料（以有机溶剂作为溶剂）或水性浆料（以水为溶剂），优选为水性浆料。石墨烯均热浆料经过过滤、烘干、压膜成型（如丝网印刷）的方法形成均热层。当采用丝网印刷的方法成膜时，均热层的丝网印刷参数可与功能层的丝网印刷参数相同或者不同，例如网格数目为120~220目，优选150~200目；丝网印刷后经130~180℃（优选140~160℃）固化成膜，固化时间为10~50min，优选20~40min。均热层的石墨烯导热膜主要组成成分为碳颗粒，以高导热率为目的进行设计。
在本发明的一些实例中，所述功能层的尺寸在长度及宽度方向均小于所述第一绝缘层、第二绝缘层。当所述加热器还包括第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层时，所述功能层的尺寸在长度及宽度方向均小于所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层和第四复合材料铺层。通过该尺寸的设置，以确保功能层获得良好的固定效果。
在本发明的一些实例中，所述功能层上设置有电极。优选地，所述电极为铜、银中的任意一种。例如，可以将两条相互平行的长条状铜箔通过耐高温热熔胶粘在功能层上作为电极，或者采用丝网印刷方式将导电银浆涂抹在功能层上或通过喷墨打印技术将导电墨水打印到功能层上形成电极。根据需要可灵活调整两条电极的间距，以达到预期的加热效果。电极与功能层的重叠区域宽度可根据需要灵活变化，一般大于2mm可保证电路导通；电极在其引出方向上的尺寸大于功能层/第一绝缘层/第二绝缘层/（第一至第四）复合材料铺层，可根据需要灵活调整，以引出电极连接外部电源。
在本发明的一些实例中，所述加热器还包括一个或两个外表面铺层，所述外表面铺层设置在加热器的外表面。具体地，当所述加热器包括依次层叠的第一绝缘层、功能层、第二绝缘层时，至少一个外表面层设置在所述第一绝缘层或第二绝缘层的外表面，这时加热器则包括依次层叠的第一外表面铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第二外表面铺层，或者包括依次层叠的第一外表面铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层。当所述加热器包括依次层叠的第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层时，至少一个外表面层设置在所述第二复合材料铺层或第四复合材料铺层的表面；这时加热器包括依次层叠的第一外表面铺层、第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层、第二外表面铺层，或者包括依次层叠的第一外表面铺层、第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层。所述外表面铺层包括金属层、复合材料铺层（即纤维增强树脂基复合材料）中的任意一种或两种，可以根据应用需要灵活选择。优选地，所述外表面铺层为金属层，具体可采用铝、钛、钢中的任意一种或多种。采用金属材料作为外表面铺层，可直接用于进一步热使用；且该层可以增强加热器的整体刚度，大幅提升抗冲击性能，增加安全性。同时，与均热层类似，外表面铺层可以将功能层产生的高热量快速有效地在平面内进行传导扩散，以增加结构整体对局部迅速升温带来的热应力的承载能力。
在本发明的一些实例中，所述外表面铺层的尺寸与均热层相同。同时，优选地，所述外表面铺层在电极引出方向上的尺寸小于第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层。
在本发明的一些实例中，所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层在电极引出方向上的尺寸分别独立地大于外表面铺层、第一均热层、第二均热层和功能层。
在本发明的一些实例中，所述第一均热层和第二均热层的尺寸均与所述外表面铺层相同。
在本发明的一些实例中，所述第一均热层和第二均热层在电极引出方向上的尺寸小于所述功能层。
在本发明的一些实例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层的尺寸分别独立地大于所述功能层。所述第一绝缘层和第二绝缘层可以通过耐高温绝缘胶与功能层紧贴。第一绝缘层和第二绝缘层能良好地隔绝空气，以保护功能层，避免功能层在使用过程中可能发生的氧化及由此导致的功率衰减问题。
在本发明的一些实例中，所述加热器具有平板结构、弯曲结构中的任意一种结构。本发明的加热器既可以做成平板结构，也可以做成弯曲结构，能够满足大曲率随形加热。
所述加热器的各层厚度可根据实际需要进行调整。作为示例，所述（第一和/或第二）外表面铺层的厚度可设置为0.1~1mm，优选0.1~0.3mm；第一至第四复合材料铺层可分别独立设置为0.1~1mm，优选0.2~0.5mm；第一、第二均热层的厚度可分别独立设置为0.05~0.5mm，优选0.1~0.2mm；第一、第二绝缘层的厚度可分别独立设置为0.02~1mm，优选0.02~0.5mm，更优选0.04~0.2mm；功能层的厚度可设置为0.02~0.5mm，优选0.1~0.2mm。本发明的加热器的各层结构具有较小的厚度，具有轻薄的特点。
本发明的第二方面是提供所述加热器的制备方法，包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
在本发明的一些实例中，根据所述加热器的结构，所述加热器的制备方法还包括按加热器的层叠结构铺设（第一或第二）外表面层、（第一至第四）复合材料铺层、（第一和第二）均热层的步骤。
在本发明的一些实例中，所述加热器的制备方法包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一外表面铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第二外表面铺层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
在本发明的一些实例中，所述加热器的制备方法包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一外表面铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
在本发明的一些实例中，所述加热器的制备方法包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一外表面铺层、第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层、第二外表面铺层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
在本发明的一些实例中，所述加热器的制备方法包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一外表面铺层、第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
在本发明的一些实例中，所述抽真空的压力为-90~-70kPa，包括但不限于-90，-80，-70kPa等。
在本发明的一些实例中，所述固化的温度为100~150℃，包括但不限于100，110，120，130，140，150℃等。
在本发明的一些实例中，所述固化的时间为30~120min，包括但不限于30，40，50，60，70，80，90，100，110，120min等。
在本发明的一些实例中，在铺贴过程中还包括从所述功能层引出电极的步骤。
本发明的第三方面是提供所述加热器在电热除冰、电池加热、工业或民用消费品电加热中的应用。其中电热除冰例如飞机翼面或风机叶片气动前缘电热除冰，电池加热包括新能源车动力电池包加热，工业或民用消费品电加热包括电热蚊香、电热香薰炉、电子烟、电取暖器等。
在本发明的一些实例中，所述加热器的应用温度为-50~300℃，优选-20℃~100℃。本发明的加热器使用范围广，可适用于不同的应用场景。
相对于现有技术，本发明具有如下优异效果：
本发明通过合理的铺层排布及尺寸排布，使得石墨烯功能层及电极被完好的封装固化在绝缘材料内部，同时所述电极引出方式可以保证功能层电路的安全性和稳定性。均热层及外表面铺层能极大提高导热效率，减少热量损耗。各层结构通过热压工艺实现一体化复合，获得了一种轻薄高强、低电压、高效率、低能耗、长寿命、高可靠性、高集成度的薄壁功能结构加热器，并且可以较容易地实现大面积大曲率随形加热。
具体地，（1）本发明的加热器具备轻薄高强、高可靠性、高集成度、可设计性强等优点。体现在结构整体形状的可设计性，可为平板状，可为弯曲状，根据具体的应用可尽可能的接近期望；同时体现在铺层角度可设计，以使得铺层结构具有期望的力学性能。
（2）本发明的各结构通过热压工艺成型后（即在特定的温度和压力条件下成型），具备热响应快，升温迅速，加热效果稳定，受环境条件影响较小等特点，可根据具体使用环境对功能层电路进行调整以轻松获得期望的加热效果。
（3）本发明的加热器外表面铺层可以为金属箔或复合材料铺层，当功能层为石墨烯加热层时，本发明结构可直接应用于大量加热器领域。石墨烯加热膜含一定比例的石墨烯，是通电后可产生热能的薄膜，热转换率高。相比于现有产品，本发明的加热器结构使用石墨烯加热膜作为加热源时，其功耗大幅降低，其加热效率大幅提高。
（4）金属与复合材料的结合使得本发明加热器结构的抗冲击性能、环境适应能力获得大幅提升，结构更加安全稳定。本发明的加热器结构可以很好隔绝空气和发热源，使得石墨烯加热膜受氧化影响几乎忽略不计。
（5）本发明的加热器结构通过均热层将功能层产生的高热量快速有效的进行传导扩散，从而使得结构整体可以承载功能层迅速升温产生的热应力，同时本发明的加热器结构具备良好的二维均热性能，可以使得结构整体迅速均热。
附图说明
图1为本发明加热器的一种铺层关系结构示意图。
图2为实施例1中应用于机翼前缘的加热器结构示意图。
图3为实施例1中加热器制备流程实物图。
图4为复合材料固化工艺曲线。
图5为实施例1中加热器在结冰前的实物图。
图6为实施例1中加热器在结冰后的实物图。
图7为实施例1中加热器的除冰过程。
图8为实施例1中加热器的温度变化曲线。
图9为对比例1中加热器在结冰后的实物图。
图10为对比例1中加热器的温度变化曲线。
图11为实施例2中加热器的结构示意图。
图12为实施例3中加热器应用于电热蚊香的实物图。
图13为实施例3中加热器应用于电热蚊香的温度曲线。
图14为实施例4中加热器应用于电热香薰炉的实物图。
图15为实施例4中加热器应用于电热香薰炉的温度曲线。
图16为实施例5中加热器应用于电热取暖器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺。
本发明提供一种加热器，具有薄壁功能层合结构，在一些实施例中，其由依次层叠的外表面铺层101、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102、绝缘层104、功能层105、绝缘层104、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102和外表面铺层101通过热压成型工艺复合成型，其中功能层为石墨烯加热膜，石墨烯加热膜上引出电极106，铺层关系如图1（图中S表示电极引出方向）。整个层合结构采用复合材料热压工艺成型，获得的产品可以为平板，也可为曲板，结合成型模具，理论上可以制造任意曲面的大曲率空间结构。在一些实施例中，加热器也可以由绝缘层、功能层、绝缘层和外表面铺层按顺序层叠形成。以下结合几个具体的应用实例详细说明该加热器。
实施例1
本实施例提供一种基于纤维石墨烯复合材料层合功能结构（Fiber GrapheneLaminated Composite，简称FGL）的加热器，并将其应用于机翼前缘电热除冰，作为机翼易结冰局部区域的功能性蒙皮装置。
在该应用场景下，该加热器的结构示意图如图2所示，为弯曲结构，图2中(a)为加热器的整体俯视图，(b)为加热器结构分解示意图。该加热器包括铺覆在飞机翼面前缘的外表面铺层101、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102、绝缘层104、功能层105、绝缘层104、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102和外表面铺层101，通过热压工艺将其复合成型，功能层上通过铜箔/银浆印刷引出电极（图中未示出）。其中外表面铺层为厚度0.2mm，尺寸为200mm*100mm的钛片；各复合材料铺层均为环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度均为0.2mm ，尺寸均为200mm*100mm；均热层为石墨烯导热膜，由组成为2.5wt%石墨粉，0.1wt%剥离剂和40wt%稀释剂，余量为水的水性石墨烯均热浆料经过丝网印刷制备而成，其厚度为0.1mm，尺寸为180mm*80mm；上绝缘层和下绝缘层均为PI膜，其厚度均为0.04mm，尺寸为180mm*80mm；功能层为石墨烯加热膜，由组成为2wt%石墨烯粉体，8.6wt%分散剂（BYK-215）和35wt%有机树脂（醇酸树脂），余量为水的水性石墨烯导电浆料经过丝网印刷制备而成，厚度为0.15mm，尺寸为180mm*80mm。其中丝网印刷的参数为：网格数目为180目，印刷后150℃下固化30分钟成膜。
本实施例的加热器的制备方法包括如下步骤：
首先，使用蘸取酒精的脱脂棉球擦拭机翼前缘，确保机翼前缘干净无其他杂质，然后按照如下步骤进行。
(a)铺覆复材
在机翼前缘的表面依次铺设加热器的各个铺层，即外表面铺层、复合材料铺层、均热层、复合材料铺层、上绝缘层、功能层、下绝缘层、复合材料铺层、均热层、复合材料铺层和外表面铺层，按压平整，如图3的(a)所示。
(b)辅助真空
然后在步骤(a)按压平整的结构上依次铺设脱模布、透气毡、隔离膜等辅助真空材料和硅胶柔性加热装置（用于为后续步骤提供固化温度），如图3的(b)所示。
(c)抽取真空
再用真空袋和密封胶进行覆盖与密封，如图3的(c)所示。确保气密性后，开始抽真空，真空度设定为-80kPa。参照复合材料固化工艺曲线（见图4），在120℃温度条件下固化90min。
(d)冷却脱模
最后，制件热压成型过程结束，冷却后脱模，检查制件成型质量：发现加热器结构与机翼前缘紧密贴合，成件厚度为0.75mm，面积为200mm*100mm，面密度为0.0827g/cm2，达到了共形一体化的效果，如图3的(d)所示。
将铺贴固化完加热器的机翼前缘置于-20.2℃/23%RH条件下进行冷冻结冰，结冰范围为175mm×61mm，冰层平均厚度2.37mm，结冰前后实物图分别如图5、图6所示。然后对加热器通电，电压/电流为32V/5.47~5.59A。结果显示，加热器的实际功率为174~178W，功率密度：17.6~18.0KW/m2，冰层底部界面完全融化时间：37s。
改变电压电流，使加热器的功率密度为15kW/m2，可以在55s内完成机翼除冰[见图7，本发明将冰层界面开始融化时，定义为初熔点，冰层界面完全融化时，定义为终熔点，初熔与终熔之间的较平缓的温度平台区则被称为熔程。图7中冰层在通电加热（a）后，经过初熔阶段（b）和终熔阶段（c）后，最终实现除冰完成（d）]。
在加热器上平均间距选取3个点（加热器1点、加热器2点、加热器3点），记录3个点在加热除冰过程中的温度随时间的变化，得到温度曲线如图8所示。从图中可以看出，采用该加热器对机翼前缘进行除冰，高效稳定，加热效果受温度影响小。
对比例1
本对比例提供一种加热器，并将其应用于机翼前缘电热除冰，作为机翼易结冰局部区域的功能性蒙皮装置。该加热器与实施例1的区别在于：功能层为石墨烯加热膜，由组成为2wt%石墨烯粉体，9.5wt%分散剂和26wt%有机树脂，余量为有机溶剂的石墨烯导电浆料（溶剂采用有机溶剂）经过刮刀涂布印刷方法制备而成；且外表面铺层为钛片。其他结构以及加热器在机翼上的铺贴方式与实施例1相同。
将铺贴固化完加热器的机翼前缘置于-20.4℃/27%RH条件下进行冷冻结冰，结冰范围为200mm×70mm，冰层平均厚度2.52mm，如图9所示。然后对加热器通电，电压/电流为32V/5.41~3.52A。结果显示，加热器的实际功率为173~113W，功率密度：17.4~11.3KW/m2，冰层底部界面完全融化时间：60s。
在加热器上平均间距选取3个点（加热器1点、加热器2点、加热器3点），记录3个点在加热除冰过程中的温度随时间的变化，得到温度曲线如图10所示。从图中可以看出，采用该加热器对机翼前缘进行除冰，加热效果不稳定，随温度升高，加热器功率减小。
实施例1和对比例1的除冰数据如下：
实施例1：
结冰范围：175mm×61mm；
冰层平均厚度：2.37mm；
电压电流：32V/5.47~5.59A；
环境温湿度：-20.2℃/23%RH；
实际功率：174~178W；
功率密度：17.6~18.0KW/m2
冰层底部界面完全融化时间：37s。
对比例1：
结冰范围：200mm×70mm；
冰层平均厚度：2.52mm；
电压电流：32V/5.41~3.52A；
环境温湿度：-20.4℃/27%RH；
实际功率：173~113W；
功率密度：17.4~11.3KW/ m2；
冰层底部界面完全融化时间：60s。
比较实施例1和对比例1可见，加热器结构的改变会导致最终加热效果发生改变，当将实施例1的采用特定组成的石墨烯导电浆料通过丝网印刷形成的石墨烯加热膜（功能层）替换为对比例1的由组成不同的石墨烯导电浆料通过涂布印刷的方式得到的石墨烯加热膜后，无法实现高效稳定的加热效果，这一方面可能是由于丝网印刷和采用刮刀涂布印刷所形成的涂层中石墨烯的分布不同，在温度上升时石墨烯在涂层中的各组分之间的胶粘力不同，从而造成加热效果不同；另一方面也可能与石墨烯导电浆料的组成相关。
实施例2
本实施例提供一种基于纤维石墨烯复合材料层合功能结构（Fiber GrapheneLaminated Composite，简称FGL）的加热器，并将其应用于新能源汽车动力磷酸铁锂电池的加热，作为维持动力电池在一定温度范围内保持足额工作效率的加热装置。
在该应用场景下，该加热器的结构示意图如图11所示，具有平板形状，由上到下包括依次层叠的复合材料铺层102、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102、复合材料铺层102、功能层105、复合材料铺层102、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102、复合材料铺层102，位于加热器两个外表面的复合材料铺层作为外表面铺层，位于功能层两个表面的复合材料铺层起到绝缘层的作用，各铺层通过热压成型工艺复合成型，功能层上通过银浆印刷引出电极106，图中S表示电极引出方向。其中所有复合材料铺层均为环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度均为0.2mm，尺寸均为585mm*80mm；功能层为石墨烯加热膜，由组成为2wt%石墨烯粉体，8.6wt%分散剂和35wt%有机树脂，余量为水的水性石墨烯导电浆料经过丝网印刷制备而成，其厚度为0.1mm，尺寸为480mm* 72mm；均热层为石墨烯导热膜，由2.5wt%石墨粉，0.1wt%剥离剂和40wt%稀释剂，余量为水组成的水性石墨烯均热浆料经过涂布印刷制备而成，厚度为0.15mm，尺寸为540*72mm。其中水性石墨烯导电浆料和水性石墨烯均热浆料、丝网印刷参数与实施例1相同。本实施例的加热器的制备方法包括如下步骤：
1.清理模具。需用脱脂棉球浸渍酒精后，将700mm*400mm的模具擦拭2遍及以上，直到棉球上没有污渍；再用脱脂棉球蘸取脱模剂需要擦拭4~5遍，每遍间隔2~3分钟，待模具干燥后可再次擦拭。
2.依据模具大小剪裁脱模布、吸胶粘、隔离膜。
3.铺设加热器。铺层顺序按照隔离膜、吸胶粘、脱模布、试验件（即包括依次层叠的复合材料铺层、复合材料铺层、均热层、复合材料铺层、复合材料铺层、功能层、复合材料铺层、复合材料铺层、均热层、复合材料铺层、复合材料铺层）、脱模布、吸胶粘、隔离膜；将隔离膜贴上模具捋平、将吸胶粘贴上隔离膜捋平、将脱模布贴上吸胶粘捋平；处理试验件，将试验件平整铺到脱模布上；再依次将脱模布、吸胶粘、隔离膜铺上。
4.抽真空，入烘箱。将硅胶盖到模具上，用高温密封胶配合硅胶封住模具；放入烘箱中；设置材料对应的成型温度，参考复合材料固化工艺曲线（见图4）进行加热（120℃，90min），同时真空度设定为-80kPa。
5.自然冷却
将固化后的加热器置于磷酸铁锂电池包底下，四周覆盖保温棉，一同放入-20℃低温环境箱中进行降温，降温至电池芯温度为-17℃左右。然后对加热器通电，供电电压为32V。
作为比较，在相同的低温条件下采用传统的PTC加热器对电池进行加热，供电电压为93V。
两种不同的加热器的加热指标如下。
（1）PTC加热器：
测试环境(℃)：-20；
电芯温度(℃)：-17.6；
供电电压(V)：93；
加热平均功率(W)：140.5；
耗能(W•h)：153.8；
温升效率(℃/h)：16.1；
重量(g) ：226.9；
功率重量比(W/g)：0.62。
（2）FGL加热器
测试环境(℃)：20
电芯温度(℃)：-17.7
供电电压(V)：32
加热平均功率(W)：170.6
耗能(W•h)：148.5
温升效率(℃/h)：20.3
重量(g)：93.2
功率重量比(W/g)：1.83。
FGL加热器相较PTC加热器的变化比例如下：
供电电压(V)：↓65.6%
加热平均功率(W)：↑21.4%
耗能(W•h)：↓3.5%
温升效率(℃/h) ↑26%
重量(g)：↓59%
功率重量比(W/g)：↑195%。
加热过程中发现，采用本实施例的FGL加热器实现了在低温(-20℃)环境下，将电池芯温度从-15℃提升至0℃耗时约45min的效果，达到并超过了现有PTC加热器的加热效果。且与传统的PTC加热器相比，FGL加热器供电电压降低65.6%，重量降低59%，功率提升21.4%，耗能降低3.5%，温升效率提高26%，功率重量比提升约1.95倍。
对比例2
本对比例提供一种加热器，并将其应用于新能源汽车动力磷酸铁锂电池的加热，与实施例2的区别在于制备加热器的时候采用的真空度为0。其他与实施例2相同。
对加热器通电，电压为28.8V，测试其功率，并与相同条件下的实施例2的加热器进行比较，结果如下：
实施例2：28.8V电压下，长板加热器和短板加热器功率分别是90.4W（样品标号0807-A-1c-1-L），75.5W（样品标号0807-A-1c-1-S）；
对比例2：28.8V电压下，长板加热器和短板加热器功率分别是56.16W（样品标号0801-A-1c-1-L2），68.8W（样品标号0801-A-1c-1-S）。
由上述数据可知，当真空压力不足时，成型的FGL加热器在相同电压下的功率明显低于真空压力为-80kPa时制造成型的FGL加热器。
因此，抽取真空时的真空度及密封性，若压力不够或者气密性不好，电极无法紧贴石墨烯薄膜且石墨烯薄膜会因厚度方向不够密实而导致电阻升高，影响发热及导热效果。
实施例3
本实施例提供一种加热器，并将其应用于电热蚊香加热。在该应用场景下，该加热器的结构具有平板结构，由依次层叠的外表面铺层、绝缘层、功能层、绝缘层通过热压成型工艺复合成型，功能层上通过铜箔/银浆印刷引出电极。其中外表面铺层为铝箔，厚度为0.2mm，尺寸为30mm*40mm；上绝缘层和下绝缘层均为环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度均为0.2mm，尺寸为30mm*42mm；功能层为石墨烯加热膜，由2wt%石墨烯粉体，8.6wt%分散剂和35wt%有机树脂，余量为水组成的水性石墨烯导电浆料经过丝网印刷制备而成，其厚度为0.1mm，尺寸为35mm*5mm。其中水性石墨烯导电浆料、丝网印刷参数与实施例1相同。
本实施例的加热器的制备方法包括如下步骤：
1.清理模具。需用脱脂棉球浸渍酒精后，将300mm*400mm的模具擦拭2遍及以上，直到棉球上没有污渍；再用脱脂棉球蘸取脱模剂需要擦拭4~5遍，每遍间隔2~3分钟，待模具干燥后可再次擦拭。
2.依据模具大小剪裁脱模布、吸胶粘、隔离膜。
3.铺设加热器。铺层顺序按照隔离膜、吸胶粘、脱模布、试验件、脱模布、吸胶粘、隔离膜；将隔离膜贴上模具捋平、将吸胶粘贴上隔离膜捋平、将脱模布贴上吸胶粘捋平；处理试验件，将试验件平整铺到脱模布上；再依次将脱模布、吸胶粘、隔离膜铺上。
4.抽真空，热压成型。放入自制铝合金模具中抽真空至-80kPa，采用热压补仪，参考复合材料（环氧树脂基玻璃纤维增强材料）固化工艺曲线（见图4）进行加热固化。
5.自然冷却。
注：采用上述模具可同时生产5~10个电热蚊香加热器。
制备得到的电热蚊香加热器实物图如图12所示。
对加热器进行通电，电压为5V，记录的温度曲线如图13所示。从温度曲线可以看出，该加热器在低电压下可以实现稳定加热，加热功率为5W左右，具有低电压、高功率的特点。
实施例4
本实施例提供一种加热器，并将其应用于电热香薰炉。在该应用场景下，该加热器的结构具有平板/曲板结构，由依次层叠的外表面铺层、上绝缘层、功能层、下绝缘层通过热压成型工艺复合成型，功能层上通过铜箔/银浆印刷引出电极。其中外表面铺层为环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度为0.2mm，尺寸为40mm*40mm；上绝缘层和下绝缘层均为环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度均为0.2mm，尺寸为40mm*40mm；功功能层为石墨烯加热膜，由2wt%石墨烯粉体，8.6wt%分散剂和35wt%有机树脂，余量为水组成的水性石墨烯导电浆料经过丝网印刷制备而成，其厚度为0.1mm ，尺寸为40mm*5mm。其中水性石墨烯导电浆料、丝网印刷参数与实施例1相同。
本实施例的电热香薰炉加热器的制作过程可参考实施例3电蚊香加热器的制备过程。
制备得到的电热香薰炉加热器实物图如图14所示，电热香薰炉加热器内装有精油、水混合物。
对加热器进行通电，电压为5V，记录电热香薰炉加热器和香炉精油、水混合物的温度曲线如图15所示（图中FGLH为电热香薰炉加热器）。从温度曲线可以看出，该加热器在低电压下可以实现稳定加热，加热功率为5W左右，具有低电压、高功率的特点。
实施例5
本实施例提供一种加热器，并将其应用于电热取暖器。在该应用场景下，该加热器的结构具有平板结构，其结构示意图如图16所示，由依次层叠的外表面铺层101、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102、绝缘层104、功能层105、绝缘层104、复合材料铺层102、均热层103、复合材料铺层102和外表面铺层101通过热压成型工艺复合成型，功能层上通过银浆印刷引出电极106，图中S表示电极引出方向。其中外表面铺层为铝箔，厚度为0.2mm，各复合材料铺层均为高温环氧树脂基玻璃纤维增强材料层，厚度均为0.2mm，尺寸均为400mm*300mm；功能层为石墨烯加热膜，由2wt%石墨烯粉体，8.6wt%分散剂和35wt%有机树脂，余量为水组成的水性石墨烯导电浆料经过丝网印刷制备而成，其厚度为0.1mm，尺寸为380mm* 280mm；均热层为石墨烯导热膜，由2.5wt%石墨粉，0.1wt%剥离剂和40wt%稀释剂，余量为水组成的水性石墨烯均热浆料经过涂布印刷制备而成，厚度为0.15mm，尺寸为380*280mm。其中水性石墨烯导电浆料和水性石墨烯均热浆料、丝网印刷参数与实施例1相同。
本实施例的电热取暖器的加热器制作过程可参考实施例2的制备过程，不同之处仅在于制备过程中的固化温度为180℃。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种加热器，其特征在于：所述加热器包括依次层叠的第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，所述功能层为石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜由包含0.5~3wt%石墨烯粉体，0.8~10wt%分散剂和10~40wt%有机树脂，余量为水的水性石墨烯导电浆料经丝网印刷而成。
2.根据权利要求1所述加热器，其特征在于：所述水性石墨烯导电浆料包含0.5~3wt%石墨烯粉体，0.8~10wt%分散剂和30~40wt%有机树脂，余量为水。
3.根据权利要求1或2所述加热器，其特征在于：所述加热器还包括若干复合材料铺层、均热层，所述加热器包括依次层叠的第一复合材料铺层、第一均热层、第二复合材料铺层、第一绝缘层、功能层、第二绝缘层、第三复合材料铺层、第二均热层、第四复合材料铺层，所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层分别独立选自纤维增强树脂基复合材料层。
4.根据权利要求3所述加热器，其特征在于：所述第一复合材料铺层、第二复合材料铺层、第三复合材料铺层、第四复合材料铺层分别独立地包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的任意一种或多种纤维增强的树脂基复合材料。
5.根据权利要求3所述加热器，其特征在于：所述第一均热层和第二均热层均为石墨烯导热膜。
6.根据权利要求1所述加热器，其特征在于：所述功能层的尺寸在长度及宽度方向均小于所述第一绝缘层、第二绝缘层。
7.根据权利要求1或2所述加热器，其特征在于：所述加热器具有平板结构、弯曲结构中的任意一种结构。
8.权利要求1~7任一项所述加热器的制备方法，包括如下步骤：在基材表面按顺序铺贴第一绝缘层、功能层、第二绝缘层，进行密封后抽真空、加热固化，得到所述加热器。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于：所述抽真空的压力为-90~-70kPa。
10.权利要求1~7任一项所述加热器在电热除冰、电池加热、工业或民用消费品电加热中的应用。
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