CN113950172A - 石墨烯基电致红外发射加热装置 - Google Patents

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刘忠范
张辉
李新连
刘珊
程熠
黄可闻
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Peking University
Beijing Graphene Institute BGI
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    • H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Abstract

本公开提供一种石墨烯基电致红外发射加热装置，包括：壳体、石墨烯基发射源及双电极，石墨烯基发射源位于壳体围成的腔室内，石墨烯基发射源由基底和基底表面的石墨烯组成；双电极连接于石墨烯基发射源的两端，以对石墨烯基发射源施加电压进行红外发射并发热。该装置可将电能高效的转化为红外线，并拥有更高的电热转化效率。此外，该装置的发射源在较大的红外光谱范围内可调，满足个性化和定制化应用需求，尤其适用于对波长峰值范围要求较高的领域。

Description

石墨烯基电致红外发射加热装置
技术领域
本公开涉及辐射技术领域，具体涉及一种石墨烯基电致红外发射加热装置。
背景技术
用具有连续波长的红外发射源照射某一物质时，该物质的分子就吸收一部分光能转换为分子的振动能量与转动能量，宏观表现为被照射物质温度升高，这种能量传递不需要介质。
远红外线是一种波长范围在3μm～1000μm的电磁波，按照国际标准IEC60050-841的划分，真空中波长大于4μm的长波红外辐射为远红外辐射，2μm～4μm为中波红外辐射，真空中波长小于2μm的为近红外辐射。
红外发射加热技术以其热效率高、无环境污染、保证产品品质等诸多有点而得到人们的关注。由于这些优点，近几十年来，红外发射加热技术在涂料、塑料加工、汽车制造、食品加工、木材加工、制药、印刷、造纸、纺织印染、医疗卫生、机械制造、化工与电子等领域得到广泛应用，该技术用于干燥可使干燥效率从10％提高到60％～70％。
红外发射加热技术不需要传输介质，可以实现发射源光谱与被加热物体吸收光谱的共振，因此加热过程大大减少了能力损失，提高了热能利用率并减少了污染，其有如下特征：首先，发射源与被加热物质的关系，被加热物质获得的净热量与温度的4次方差成正比；其次，被加热物质获得的净热量与加热体的发射光谱和被加热物体的吸收光谱特征有关；再次，红外发射换热相互作用的方向性、距离和形状的关系特性，即角系数特性与***黑度有关；最后，被加热物质获得的净热量与相互作用的换热面积有关。
传统的红外发射源有两种，一种是金属丝，由一种或多种金属合金构成，在较高的电压下，电子在电场的作用下运动时和原子或者分子发生碰撞，导致原子或者分子能力增加，宏观表现为温度升高。金属丝作为红外发射源，其发射出来的射线波长峰值较短，只有小部分能量分布在远红外区域，尤其是7μm～14μm范围内。因此，其有效辐射能量比不高，作为远红外加热用途效率不高，造成浪费。另一种传统红外发射加热材料是碳纤维，其是近年来发展迅速的一种新型发射源材料，但是碳纤维材料本身的电阻率较高，其电阻范围小且不均匀，所以相对辐射能谱有限，这些都大大局限了了碳材料发射源的应用。
需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种石墨烯基电致红外发射加热装置，以解决现有红外发射材料有效辐射能量比低、电-热转换效率低、相对辐射光谱范围小等问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本发明提供一种石墨烯基电致红外发射加热装置，包括：壳体、石墨烯基发射源及双电极；石墨烯基发射源位于壳体围成的腔室内，石墨烯基发射源由基底和基底表面的石墨烯组成；双电极连接于石墨烯基发射源的两端，以对石墨烯基发射源施加电压进行红外发射并发热。
根据本发明的一个实施方式，装置的红外发射波长为1μm～25μm。
根据本发明的一个实施方式，电压为直流电压3V～24V或交流电压220V～380V，所述双电极之间的距离为1mm～2000mm。
根据本发明的一个实施方式，发热后的温度达30℃～1000℃。
根据本发明的一个实施方式，石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，石墨烯的厚度大于0.3nm，电阻率为10-3Ω·cm～103Ω·cm。
根据本发明的一个实施方式，基底材料为工作温度大于200℃的耐高温材料，基底材料选自石英、金属、金属氧化物、陶瓷、氧化铝和碳材料中的一种或多种。
根据本发明的一个实施方式，壳体材料为工作温度大于1000℃的耐高温玻璃或石英，壳体材料的透光率大于95％。
根据本发明的一个实施方式，腔室内为真空环境。
根据本发明的一个实施方式，腔室内充入惰性气体，真空度小于50Pa，惰性气体选自氮气、氩气和氦气中的一种或多种。
根据本发明的一个实施方式，石墨烯采用真空溅镀、印刷、涂覆、氧化还原或化学气相沉积的方法形成于基底表面，石墨烯与基底之间的附着力等级达到5B。
本公开的有益效果在于：
本公开提出的石墨烯基电致红外发射加热装置可以将电能高效的转化为红外线，有效转化率高于95％。该装置解决了传统红外发射材料有效辐射能量比低、电-热转换效率低、相对辐射光谱范围小等缺点，使发射源在较大的红外光谱范围内可调，满足个性化和定制化应用需求，并且拥有更高的电热转化效率，可应用于印刷、橡塑、造纸、电子及食品加工等工业领域，尤其适用于对波长峰值范围要求较高的领域。
附图说明
为了让本公开实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。应该注意，根据工业上的标准范例，各个部件未必按照比例绘制，且仅用于图示说明的目的。实际上，为了让讨论清晰易懂，各个部件的尺寸可以被任意放大或缩小。
图1是本发明一个实施方式的石墨烯基电致红外发射加热装置。
其中，附图标记说明如下：
100：壳体
200：石墨烯基发射源
301、302：电极
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构、***和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、***和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
图1为本发明石墨烯基电致红外发射加热装置的结构示意图。如图1所示，该石墨烯基电致红外发射加热装置主要包括壳体100、石墨烯基发射源200和双电极301、302。本公开提出的石墨烯基电致红外发射加热装置是以应用于印刷、橡塑、造纸、电子及食品加工等工业领域为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于其他领域中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的装置的原理的范围内。下面结合图1对本公开提出的石墨烯基电致红外发射加热装置的一示例性实施方式的各主要组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。
如图1所示，本发明的石墨烯基电致红外发射加热装置包括：壳体100、石墨烯基发射源200及双电极301、302。其中，石墨烯基发射源200位于壳体100围成的腔室内。壳体200的材料可以为耐高温玻璃或透明石英材质，要求高透光率和耐高温性能，透光率大于95％，长时间工作温度大于1000℃。腔室内需要进行抽真空处理或充入惰性气体，真空度小于50Pa，惰性气体为氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)等。
石墨烯基发射源200由基底和基底表面的石墨烯组成。根据本发明，现有的红外发射源一般为金属丝或碳纤维材料等，然而其或多或少均存在一些缺陷，例如有效辐射率低、寿命短、发热慢等问题。本发明的发明人发现，利用石墨烯材料作为发射源，石墨烯材料具有高载流子迁移率和导热率，可以高效的把热能发送到表面，又以很高的红外发射率把热能以红外线的形式发射出去，从而获得良好的红外发射加热效果。此外，根据应用场景和条件的不同，可以调节石墨烯的制备工艺改变其电阻率，进而调节红外发射波长范围和峰值，这尤其适用于对波长峰值范围要求较高和有特殊形状要求的领域。
前述的石墨烯可由物理工艺、氧化-还原工艺、化学气相沉积工艺、外延法或电化学工艺等制备，石墨烯可为单层石墨烯或多层石墨烯，石墨烯层的厚度大于0.3nm，电阻率为10-3Ω·cm～103Ω·cm可调，例如10-3Ω·cm、10-2Ω·cm、10-1Ω·cm、1Ω·cm、10Ω·cm、100Ω·cm、1000Ω·cm等，电阻率降低，相同电压作用下功率上升、温度上升，可导致发射光谱波长峰值减小。基底材料可以为石英、金属、金属氧化物、陶瓷、氧化铝、碳材料等耐高温材料，长时间使用温度大于200℃，形态可以为纤维、块体或层状。
在一些实施例中，石墨烯可采用真空溅镀、印刷(例如丝网印刷)、涂覆(例如刮涂)、氧化还原或化学气相沉积的方法形成于基底表面，例如，可以在石英纤维表面利用化学气相沉积工艺直接生长石墨烯，得到的复合纤维束作为石墨烯基发射源。也可以采用物理机械剥离的方法先制备石墨烯，然后加入少量粘结剂后涂覆于基底材料表面，经高温碳化/石墨化后获得石墨烯基发射源，高温碳化/石墨化的温度一般在1000℃～3000℃左右，此外，也可以采用热定型处理技术获得，热定型工艺是为了使发射源保持某种特定形状，比如需要较大的辐射功率，但长度或面积不大，需要将直线状的发射源做成螺旋形并长期保持，以达到保持表观长度不变的前提下增加实际作用长度的目的，一般地，热定型处理温度为40℃～100℃。基底在形成石墨烯层之前，还需要进行前处理，以去除基底表面的杂质，并使表面光滑，处理温度为20℃～2000℃。
在一些实施例中，石墨烯与基底之间的附着力等级需达到5B(百格刀测试)，以避免在工作过程中石墨烯于基底脱落。
如图1所示，双电极301、302分别连接于石墨烯基发射源200的两端，以对石墨烯基发射源施加电压进行红外发射并发热。当电流通过电极经过石墨烯时，碳原子受到激发，通过控制施加的电压即可控制发出的红外波长，从而得到相应范围的红外发射波长，产生所需要的加热温度。
在一些实施例中，施加的电压为直流电压3V～24V，例如3V、5V、7V、10V、15V、18V、20V、23V等或交流电压220V～380V，例如，220V、260V、280V、300V、320V、370V等，当施加电压为低压时，所产生的红外波长较大，发出的能量也较低；而当施加电压相对较高时，所产生的红外波长较大，发出的能量更高。经施加电压后发热所达到的温度根据基底材料不同可以达到30℃～1000℃。
在一些实施例中，双电极301、302之间的距离会影响器件的发射功率，一般二者距离为1mm～2000mm，例如，1mm、20mm、50mm、120mm、500mm、700mm、850mm等。
综上，本发明的石墨烯基电致红外发射加热装置可以将电能高效的转化为红外线，有效转化率高于95％，所发出的红外射线波长峰值在1μm～25μm之间。该装置可应用于印刷、橡塑、造纸、电子及食品加工等工业领域，尤其适用于对波长峰值范围要求较高的领域，解决了传统红外发射材料有效辐射能量比低、电-热转换效率低、相对辐射光谱范围小等缺点，使发射源在较大的红外光谱范围内可调，满足个性化和定制化应用需求，并且拥有更高的电热转化效率。
下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。如无特殊说明，本发明采用的试剂或材料等均可从市售购得。
实施例1
1)以甲烷为碳源，在石英纤维表面进行化学气相沉积直接生长石墨烯，得到石墨烯石英纤维束。其中，化学气相沉积温度为1050℃，Ar：H2：CH4的流量比为500sccm:300sccm:200sccm。以得到的石墨烯石英纤维束为发射源，石墨烯层的厚度为10nm。
2)石英纤维束的单根纤维电阻率0.1Ω·cm，纤维束长度10cm。使用耐高温石英管作为腔体外壳，抽真空后充入氩气，两端电极接通DC 24v电压，1分钟后装置温度上升至260℃，红外波长峰值为20μm左右。
实施例2
1)以物理机械剥离工艺制备石墨烯，具体地，对石墨进行超声分散0.5h，高剪切剥离1h，分散剂为聚氧乙烯基醚0.5％。所得石墨烯片径范围在1μm～10μm，为多层石墨烯，厚度为100μm，电阻率为102Ω·cm，加入少量粘结剂后涂覆于陶瓷表面，经过高温碳化后作为红外发射源，其长度为30cm。
2)使用耐高温石英管作为腔体外壳，抽真空后充入氩气，两端电极接通交流220v电压，1分钟后装置温度上升至950℃，红外波长峰值1μm～3μm。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种石墨烯基电致红外发射加热装置，其特征在于，包括：
壳体；
石墨烯基发射源，位于所述壳体围成的腔室内，所述石墨烯基发射源由基底和所述基底表面的石墨烯组成；及
双电极，连接于所述石墨烯基发射源的两端，以对所述石墨烯基发射源施加电压进行红外发射并发热。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的红外发射波长为1μm～25μm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压为直流电压3V～24V或交流电压220V～380V，所述双电极之间的距离为1mm～2000mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热后的温度达30℃～1000℃。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，所述石墨烯层的厚度大于0.3nm，电阻率为10-3Ω·cm～103Ω·cm。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底材料为工作温度大于200℃的耐高温材料，所述基底材料选自石英、金属、金属氧化物、陶瓷、氧化铝和碳材料中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体材料为工作温度大于1000℃的耐高温玻璃或石英，所述壳体材料的透光率大于95％。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室内为真空环境。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室内充入惰性气体，真空度小于50Pa，所述惰性气体选自氮气、氩气和氦气中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石墨烯采用真空溅镀、印刷、涂覆、氧化还原或化学气相沉积的方法形成于所述基底表面，所述石墨烯与所述基底之间的附着力等级达到5B。
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