CN116528405B - 一种复合式石墨烯发热元件及发热装置 - Google Patents

Abstract

一种复合式石墨烯发热元件及发热装置，包括沿竖直方向依次堆叠设置的载体、第一离子提供层、复合石墨烯层、第二离子提供层、第三石墨烯层、第一保护层；其中，复合石墨烯层包括沿水平方向铺设且相邻之间具有第一间隔的第一石墨烯层和第二石墨烯层；通电后，第三石墨烯层发热，第一离子提供层、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第二离子提供层共同构成一个可增强反射的红外反射器。本发明的复合式石墨烯发热元件及发热装置具有良好的抗弯折、柔性特点，且具有良好的保温保健效果，可用于保健医疗、发热地板、建筑取暖、光学器械等领域。

Description

一种复合式石墨烯发热元件及发热装置

技术领域

本发明涉及石墨烯材料应用技术领域，具体涉及一种复合式石墨烯发热元件及发热装置。

背景技术

本申请对于背景技术的描述属于与本申请相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本申请的技术方案，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本申请在首次提出申请的申请日的现有技术。

石墨烯是近些年新兴的一种碳材料，只有一个原子厚度，约0.3纳米。独特的结构赋予了石墨烯优异的电学、光学、机械和热学性能，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的新型纳米材料，导电性能比普通导电介质高出80％，其在可见和红外光波段透明度高达97.7％。石墨烯发热膜层是百分之百的碳，产生的远红外辐射有良好的医疗理疗作用，已被用于除螨虫、美容、保健等。通电后的石墨烯发热膜层中的碳分子做“布朗运动”，在产生热量的同时，会产生85％左右的远红外线来辐射热量。然而，当前的石墨烯发热膜通电后发出的红外辐射是各向同性的，未朝向目标区域的红外辐射将很快被耗散掉，由此造成能效比不高。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种复合式石墨烯发热元件及发热装置，其可对目标区域的红外辐射进行增强反射。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供的复合式石墨烯发热元件，包括沿竖直方向依次堆叠设置的载体、第一离子提供层、复合石墨烯层、第二离子提供层、第三石墨烯层、第一保护层；

其中，复合石墨烯层包括沿水平方向铺设且相邻之间具有第一间隔的第一石墨烯层和第二石墨烯层；通电后，第三石墨烯层发热，第一离子提供层、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第二离子提供层共同构成一个可增强反射的红外反射器。

进一步地，第一离子提供层和第二离子提供层选自含有离子液的多孔材料、离子溶胶或离子凝胶中一种或组合。

进一步地，第一石墨烯层可以是单层石墨烯、少层石墨烯或多层石墨烯。

进一步地，第二石墨烯层为层数不少于30且不大于250的多层石墨烯。

进一步地，第一石墨烯层在水平方向的宽度不大于第二石墨烯层的宽度。

进一步地，第二离子提供层的厚度不小于第一离子提供层的厚度。

进一步地，从上往下看，第三石墨烯层的投影完全覆盖第一石墨烯层和第二石墨烯层以及两者之间的第一间隔。

进一步地，第一保护层覆盖第三石墨烯层顶面，同时包覆第三石墨烯层、第二离子提供层、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第一离子提供层的各个暴露的侧面，并覆盖载体未被第一离子提供层遮蔽的区域。

本发明还提供采用上述复合式石墨烯发热元件的发热装置，其包括若干个相邻之间具有第四间隔的复合式石墨烯发热元件、设置在各复合式石墨烯发热元件中第一保护层上的第一红外功能层、以及设置在各复合式石墨烯发热元件中载体远离第一保护层一侧的第二红外功能层。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下有益效果：

（1）本发明中，第三石墨烯层作为发热源，在由第一离子提供层、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第二离子提供层共同构成的红外反射器的增强反射下，可实现将所选定的红外辐射反射向目标区域，减少目标红外波段的能量耗散，可实现对目标区域的保温作用。

（2）本发明通过设置第一保护层，可为整个复合式石墨烯发热元件提供物理和化学保护，提高整个复合式石墨烯发热元件的电学性能、机械性能和化学性能。

（3）本发明的若干个相邻之间具有第四间隔的复合式石墨烯发热元件在具体应用时，可根据具体应用场景来确定目标区域的布置复合式石墨烯发热元件的疏密程度，极大地提高了费效比。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明所述的复合式石墨烯发热元件一实施例的结构示意图；

图2是本发明所述的若干复合式石墨烯发热元件的应用示意图。

附图标记：

101：载体；

102：第一离子提供层；

1031：第一石墨烯层；

1032：第二石墨烯层；

104：第二离子提供层；

105：第三石墨烯层；

106：第一保护层；

107：第一红外功能层；

108：第二红外功能层；

1101：第一间隔；

1102：第二间隔；

201：第一电源。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以经许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

如图1所示，一种复合式石墨烯发热元件，包括沿竖直方向依次堆叠设置的载体101、第一离子提供层102、石墨烯层、第二离子提供层104、第三石墨烯层105、第一保护层106。其中，石墨烯层包括沿水平方向铺设且相邻之间具有间隔的第一石墨烯层1031和第二石墨烯层1032。

载体101优选为改性PET薄膜，改性PET薄膜是在PET薄膜的双面先进行电晕处理，再进行表面加硬涂层处理，并在生产前进行热定型、脱硫处理，保证其在高温下尺寸稳定性良好，横向、纵向收缩率极小，改性后的PET薄膜具有强的表面附着力，提高了产品质量的稳定性和可靠性。

第一离子提供层102作用是提供阴离子给石墨烯层，进而改变石墨烯层的费米能级，使石墨烯层提高对红外辐射的反射率。同时，第一离子提供层102对红外波段透明。第一离子提供层102可以选择含有离子液的多孔材料，例如多孔聚乙烯膜，多孔聚丙烯-聚乙烯复合膜。第一离子提供层102也可以选择离子溶胶或离子凝胶。

在本实施例中，第一石墨烯层1031、第二石墨烯层1032在竖直方向的厚度可以相同也可以不同，第一石墨烯层1031可以是单层石墨烯，也可以是少层石墨烯，还可以是多层石墨烯，第二石墨烯层1032选择多层石墨烯，其层数不少于30层、不大于250层，通过仔细选择第二石墨烯层1032的层数，可以极大提高石墨烯层的反射率。

在又一优选实施例，第二石墨烯层1032的层数不少于50层、不大于200层。

在另一优选实施例，第二石墨烯层1032的层数不少于75层、不大于175层。

在另一优选实施例，第二石墨烯层1032的层数不少于50层、不大于125层。

在另一优选实施例，第二石墨烯层1032的层数为110层。

第一石墨烯层1031在水平方向的宽度不大于第二石墨烯层1032的宽度，通过仔细选择第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比，可以极大提高发热芯片的费效比。具体而言，在本实施例中，第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比选择为0.3~0.6。

在又一优选实施例中，第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比选择为0.35~0.53。

在另一优选实施例中，第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比选择为0.38~0.52。

在另一优选实施例中，第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比选择为0.44~0.48。

在另一优选实施例中，第一石墨烯层1031与第二石墨烯层1032在水平方向的宽度比选择为0.46。

第二离子提供层104与第一离子提供层102作用相同，也是提供阴离子石墨烯层，进而改变石墨烯层的费米能级，使石墨烯层提高对红外辐射的反射率。同时，第一离子提供层102对红外波段透明。第二离子提供层104可以选择含有离子液的多孔材料，例如可以是聚乙烯多孔膜，也可以是聚丙烯-聚乙烯复合多孔膜，还可以是聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯复合多孔膜。第二离子提供层104也可以选择离子溶胶或离子凝胶。第二离子提供层104与第一离子提供层102的厚度可以相同也可以不同。

本实施例中，还提供第一电源201，其负极与第一石墨烯层1031连接，正极与第二石墨烯层1032连接，且第一电源201的正极与第二石墨烯层1032还设置用于通断电控制的第一开关。未开启第一电源201时，第一离子提供层102和第二离子提供层104是绝缘层。开启第一电源201后，第一离子提供层102和第二离子提供层104的离子液体插层到多层石墨烯中，使石墨烯的载流子浓度增加，费米能级升高，从而实现石墨烯层对红外辐射的增强反射。经过上述设置后，第一离子提供层102、第一石墨烯层1031、第二石墨烯层1032、第二离子提供层104共同构成一个反射率可控的红外反射器。

第三石墨烯层105主要用于在外接电源下发热，产生对人体有益的4~16μm红外辐射。第三石墨烯层105可以与第二石墨烯层1032同时由第一电源201提供电能，也可以由不同电源提供电能。当由第一电源201同时提供电能时，可以在第一电源201与第二石墨烯层1032之间串接一可调电位器，以此实现对第二石墨烯层1032的电压调节，还可以在第一电源201与第二石墨烯层1032之间设置第二开关用于通断电控制。同时，在第一电源201与第三石墨烯层105之间可以设置可调电位器，也可以不设置可调电位器，具体可根据第一电源201的选型来确定。

在本实施例中，第二离子提供层104的厚度设置成大于第一离子提供层102的厚度，如此设置，当在外接电源的作用下，第二离子提供层104中的离子液体将完全填充若干水平方向铺设且相邻之间具有间隔的石墨烯层中的间隔，从而进一步提升红外辐射的反射率和均匀性。

从上往下看，第三石墨烯层105的投影完全覆盖第一石墨烯层1031和第二石墨烯层1032以及两者之间的第一间隔1101。如此设置，可提高发热芯片局部区域的发热均匀性。

在本实施例中，第三石墨烯层105作为发热源，在由第一离子提供层102、第一石墨烯层1031、第二石墨烯层1032、第二离子提供层104共同构成的红外反射器的增强反射下，可实现将所选定的红外辐射反射向目标区域，减少目标红外波段的能量耗散。可实现对目标红外波段的保温作用。第三石墨烯层105可以选择单层石墨烯、少层石墨烯，也可以选择多层石墨烯。当选择多层石墨烯时，其层数不大于25层且不少于8层。

第一保护层106覆盖第三石墨烯层105顶面，同时包覆第三石墨烯层105、第二离子提供层104、第一石墨烯层1031、第二石墨烯层1032、第一离子提供层102的各个暴露的侧面，并覆盖载体101未被第一离子提供层102遮蔽的区域。如此设置，可为整个复合式石墨烯发热元件提供物理和化学保护，提高整个复合式石墨烯发热元件的电学性能、机械性能和化学性能。优选地，第一保护层106为高分子绝缘膜，高分子绝缘膜覆合于石墨烯发热芯片上，使其具有极强的抗剥离力，电压耐受能力，极大地提高了发热芯片的长期稳定性和可靠性，延长了产品的使用寿命。

本实施例的复合式石墨烯发热元件的反射率可以通过外加电压调控。使用时，第三石墨烯层105比载体101更邻近使用部位。由于第一离子提供层102、第二离子提供层104对红外辐射透明，因此整个发热芯片的反射率的变化主要是由第二石墨烯层1032和第三石墨烯层105引起的。具体来说，一开始对第三石墨烯层105施加电压，第三石墨烯层105在电压作用下开始发热，其产生各个方向的红外辐射，包括朝向载体101传播的第一红外辐射以及背向载体101传播的第二红外辐射，当第二石墨烯层1032和第一石墨烯层1031之间未施加电压时，离子液体存在第一离子提供层102、第二离子提供层104中，此时第二石墨烯层1032和第一石墨烯层1031对红外辐射的反射率低而发射率高，第一红外辐射基本可以无损耗的透过第一石墨烯层1031、第二石墨烯层1032到达载体101并进一步向空间中耗散掉。因此，只有背向载体101传播的第二红外辐射到达目标使用部位。当第二石墨烯层1032和第一石墨烯层1031之间施加电压后，第一离子提供层102、第二离子提供层104中的阴离子插层到第二石墨烯层1032中，使得第二石墨烯层1032的载流子浓度增加，费米能级升高，导致费米能级以下的带内跃迁与带间跃迁受阻，从而抑制了第二石墨烯层1032的发射率，使得第二石墨烯层1032的反射率增加，从而将第一红外辐射反射朝背向载体101的方向传播进而到达目标使用部位。进一步地，可通过控制第二石墨烯层1032和第一石墨烯层1031之间的电压大小来控制第二石墨烯层1032对红外辐射的反射率。如此设置，可实现对到达目标使用部位红外辐射量的调控。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上的进一步改进。

在本实施例中，如图2所示，包括若干个相邻之间具有第二间隔1102的复合式石墨烯发热元件、设置在各复合式石墨烯发热元件中第一保护层106上的第一红外功能层107、以及设置在各复合式石墨烯发热元件中载体101远离第一保护层106一侧的第二红外功能层108。

在本实施例中，相邻的复合式石墨烯发热元件可以共用一载体101，具体根据相邻两复合式石墨烯发热元件之间的第二间隔1102的距离d的大小来定。

第一红外功能层107、第二红外功能层108的具体材质可以根据应用场景来灵活选择。例如，当用于人体保温理疗时，第一红外功能层107、第二红外功能层108可以选择远红外纤维，远红外纤维是具有远红外辐射功能的一类功能性纤维的统称，其可在很宽的波长范围内吸收环境或人体发出的电磁波并辐射出波长范围在2.5~30μm的远红外线，其中4~16μm波长范围内的远红外线与人体细胞中水分子的振动频率相同，当人体表面收到这种远红外线的辐射时，会引起人体表面细胞的分子的共振，产生热效应，并激活人体表面细胞，促进人体皮下组织血液的微循环，达到保暖、保健、促进新陈代谢、提高人体免疫力的功效。当用于红外光学工程或光学仪器等领域时，第一红外功能层107、第二红外功能层108的材料可以选自光学玻璃、光学晶体、半导体等。

另一方面，可以根据具体应用场景来选择若干个复合式石墨烯发热元件两两相邻之间的第二间隔1102的距离d，例如当用于人体穴位理疗时，可以在穴位多的部位设置更多的复合式石墨烯发热元件，在穴位相对少的部位设置较少的复合式石墨烯发热元件，换言之，相对于穴位少的部位，在穴位多的部位的若干个复合式石墨烯发热元件两两相邻之间的第二间隔1102的距离d更小，复合式石墨烯发热元件设置得更密集。而当用于手套保暖时，相对于手心而言，手背更多地接触冷空气并对环境温度更加敏感，因此手背一侧比手心一侧设置更多的复合式石墨烯发热元件，手背一侧手套织物内所嵌入得复合式石墨烯发热元件两两相邻之间的第二间隔1102的距离d更小。

在本实施例中，还可以将复合式石墨烯发热元件构造成石墨烯发热装置以用于保健医疗、发热地板、建筑取暖等领域。例如，由于本发明的复合式石墨烯发热元件具有良好的抗弯折、柔性特点，可嵌入各种可穿戴设备用于保健保暖，典型的，如手套、帽子、背心等等。

示例性地，当将复合式石墨烯发热元件用于发热手套时，发热芯片对红外波段的增强反射，可对人体手部具有良好的保温、理疗效果，通过本发明提供的石墨烯发热芯片使得使用者在佩戴手套过程中就能切身感受石墨烯介质所发挥出来的远红外线温控共振效应，还能吸收石墨烯介质运动所获得的负氧离子。远红外光波能使体内水分子活化除湿，进而活化蛋白质等生物分子，使毛细血管扩展促进血液循环排毒，强化各机体组织之间的新陈代谢，增强细胞组织的再生能力，提高肌体的免疫力，调节神经的异常状态。

另一方面，由于复合式石墨烯发热元件的反射率可控，其还可以用来维持手部的温度恒定，而免受外界环境温度影响，比如当外界环境为零下的低温环境时，复合石墨烯发热芯片可以很好地将第三石墨烯层105通电后所产生的热辐射限制在手套内，从而使手套内的温度远高于外界低温环境；而当外界环境为高温环境时，如60℃，复合石墨烯发热芯片可以将外界高温环境的热辐射反射掉，避免高温环境产生的热辐射穿过手套到达手部，并将手套内的手感温度控制在人体体温附近。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上经逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合式石墨烯发热元件，包括沿竖直方向依次堆叠设置的载体（101）、第一离子提供层（102）、复合石墨烯层、第二离子提供层（104）、第三石墨烯层（105）、第一保护层（106）；

其中，所述复合石墨烯层包括沿水平方向铺设且相邻之间具有第一间隔（1101）的第一石墨烯层（1031）和第二石墨烯层（1032）；

所述第一离子提供层（102）、第二离子提供层（104）提供阴离子给石墨烯层，进而改变石墨烯层的费米能级，使石墨烯层提高对红外辐射的反射率；

通电后，所述第三石墨烯层（105）发热，所述第一离子提供层（102）、所述第一石墨烯层（1031）、所述第二石墨烯层（1032）、所述第二离子提供层（104）共同构成一个反射率可控的红外反射器。

2.根据权利要求1所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第一离子提供层（102）和第二离子提供层（104）选自含有离子液的多孔材料、离子溶胶或离子凝胶中一种或组合。

3.根据权利要求2所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第一石墨烯层（1031）是单层石墨烯、少层石墨烯或多层石墨烯。

4.根据权利要求3所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第二石墨烯层（1032）为层数不少于30且不大于250的多层石墨烯。

5.根据权利要求4所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第一石墨烯层（1031）在水平方向的宽度不大于所述第二石墨烯层（1032）的宽度。

6.根据权利要求5所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第二离子提供层（104）的厚度不小于第一离子提供层（102）的厚度。

7.根据权利要求6所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，从上往下看，所述第三石墨烯层（105）的投影完全覆盖所述第一石墨烯层（1031）和所述第二石墨烯层（1032）以及两者之间的所述第一间隔（1101）。

8.根据权利要求7所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第三石墨烯层（105）为层数不大于25且不少于8的多层石墨烯。

9.根据权利要求1-8任一项所述的复合式石墨烯发热元件，其特征在于，所述第一保护层（106）覆盖在所述第三石墨烯层（105）顶面，同时包覆所述第三石墨烯层（105）、所述第二离子提供层（104）、所述第一石墨烯层（1031）、所述第二石墨烯层（1032）、所述第一离子提供层（102）的各个暴露的侧面，并覆盖所述载体（101）未被所述第一离子提供层（102）遮蔽的区域。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的复合式石墨烯发热元件的发热装置，其特征在于，包括若干个相邻之间具有第四间隔（1102）的复合式石墨烯发热元件、设置在各复合式石墨烯发热元件中所述第一保护层（106）上的第一红外功能层（107）、以及设置在各复合式石墨烯发热元件中所述载体（101）远离所述第一保护层（106）一侧的第二红外功能层（108）。