技术领域
[0001] 本
发明涉及新材料制备与加热技术领域，具体涉及
石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料及其制备方法。
背景技术
[0002]
家用电器及工、农、医等领域使用的加热材料多为
电阻丝，电阻丝工作状态下为炽热状态
温度较高，易
氧化熔断，电阻丝发热产生可见光，产生
能量损耗，电阻丝螺旋状态使用，产生感抗效应。现有的发热材料导电、导热、光电转化和
稳定性能较差。
[0003] 2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并研究了其准粒子性和
磁场效应。随后，针对石墨烯的相关研究层出不穷，研究发现，它还具有优异的
导电性能、导热性能、透光性能和稳定性等。石墨烯是一种由
碳原子以sp2杂化轨道组成六
角型呈
蜂巢晶格的二维碳
纳米材料。它的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献一个p轨道上的
电子形成大π键，π电子可以自由移动，
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通过测试可知，石墨烯的电子迁移率数值高达2×10 cm/(V·S)，因此，石墨烯具有良好的导电性。
[0004] 研究发现，
单层石墨烯的导热系数可以高达5300W/mK，是目前导热系数最高的碳材料，将其添加到基体材料中，可以显著提高材料的导热性能，同时，石墨烯的电子具有显著的等离子共振效应，因此，具有较高的稳定性，在长时间的激光照射下都不会发生衰减。石墨烯具有很好的透光性能，单层石墨烯可见光吸收率为2.3％，透光率高达 97.7％。同时，在光照射下，特别是红外光照射下，石墨烯基材料会产生显著的光热效应，这种热效应传递到周围介质，使其温度升高。此外，石墨烯基材料基本上都是红外惰性的，可以大大降低红外热
辐射的损失。这些性能特点使得石墨烯在储能材料、光电材料、电子器件、发热材料等领域具有非常广泛的应用。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料及其制备方法，利用所述方法可以显著提高材料的导电、导热、光电转化和稳定性能。
[0006] 为了实现上述目标，本发明提供以下技术方案，一种石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007] S1、制备功能相复合粉体：将单质
硅、纳米和亚
纳米级的渣相混合均匀，单质硅的含量占功能相复合粉体的总重量的30％-40％；
[0008] S2、制备混合物粉体：将功能相复合粉体与玻璃粉体均匀混合，所述玻璃粉体的含量占混合物粉体总重量的20％-30％；
[0009] S3、制备石墨烯混合粉体：在混合物粉体中加入石墨烯，所述石墨烯的含量占功能相复合粉体总重量的0.5％-2％；
[0010] S4、制备厚膜浆料：向石墨烯混合粉体中加入
有机溶剂，把混合好的材料搅拌均匀形成厚膜浆料，所述
有机溶剂的含量占功能相复合粉体总重量的30％-40％；
[0011] S5、将厚膜浆料在1100-1200℃温度条件下
烧结烘干制备石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料。
[0012] 优选的是，所述渣相为氧化物和盐，所述氧化物与盐的重量百分比为1：(0.8-1.5)。
[0013] 优选的是，所述渣相为酸性氧化物、
碱性氧化物、两性氧化物、稀土元素氧化物和盐类的一种或几种的组合。
[0014] 优选的是，所述渣相为氧化硅、氧化镁、氧化
铝、氧化钇、氧化镧和碳酸锂的一种或几种的组合。
[0015] 优选的是，所述玻璃粉体的粒径范围为0.1-5mm。
[0016] 优选的是，所述有机溶剂为
蓖麻油、蓖麻油酸
钙、
乙醇、松油醇、正丁醇、丙三醇、乙基
纤维素、硝基
纤维素、亚麻仁油中的一种或多种的组合。
[0017] 优选的是，烧结时间为60min-180min。
[0018] 优选的是，步骤S5中，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体烧结。
[0019] 优选的是，厚膜浆料的涂敷厚度与厚膜浆料的电阻值呈反比例关系，电阻大小和涂敷厚度关系为：若涂敷厚度为3微米的W倍，则电阻是3微米膜厚时电阻的1/W。
[0020] 本发明还公开了如上所述方法制备的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下效果：
[0022] 1、制备工艺简单；
[0023] 2、制备的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料稳定性好，加热温度0-900℃条件下不易损坏、可在3-380V的交直流
电压下使用、导电、导热性好、电阻低，能量损耗低；
[0024] 3、厚膜与基体材料结合牢靠；
[0025] 4、可采用多种方式涂敷于平面、曲面或环面基体上；
[0026] 5、应用广泛，可用于工业、农业、建筑及家用电器等领域；
[0027] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
[0028] 下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0029] 除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和
权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并非排除其他元件或其他组成部分。
[0031] 取单质硅6.2kg及氧化硅1.8kg和氧化镁2.0kg，按单质元素和纳米级氧化硅和氧化镁渣相材料混合制备功能相复合粉体。
[0032] 向10.0kg功能相复合粉体中添加无铅玻璃2.45kg，添加石墨烯0.05kg，混合均匀后，加入有机溶剂37.5kg，有机溶剂分别为蓖麻油33.8kg，蓖麻油酸钙1.5kg，乙醇 2.2kg，把混合料搅拌均匀，形成厚膜浆料，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体放入高温炉中烧结，烧
结温度为1100℃，烧结时间为180min，烧结气氛为空气。
[0033] 实施例二：
[0034] 取单质硅5.5kg、氧化硅2.1kg、氧化镁2.2kg、氧化钇0.2kg，按单质元素和亚纳米级氧化硅、氧化镁和氧化钇渣相材料混合制备功能相复合粉体。
[0035] 向10.0kg功能相复合粉体中添加无铅玻璃2.45kg，添加石墨烯0.05kg，混合均匀后，加入有机溶剂37.5kg，有机溶剂分别为蓖麻油31.9kg，蓖麻油酸钙1.1kg，乙醇1.9kg，松油醇2.6kg，把混合料搅拌均匀，形成厚膜浆料，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体放入高温炉中烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，烧结气氛为空气。
[0036] 实施例三：
[0037] 取单质硅5.5kg、氧化硅2.2kg、氧化镁1.8kg、氧化钇0.3kg，碳酸锂0.2g，按单质元素和纳米级氧化硅、氧化镁、氧化钇和碳酸锂渣相材料混合制备功能相复合粉体。
[0038] 向10.0kg功能相复合粉体中添加无铅玻璃2.45kg，添加石墨烯0.05kg，混合均匀后，加入有机溶剂37.5kg，有机溶剂分别为蓖麻油31.9kg，蓖麻油酸钙1.1kg，乙醇 1.9kg，松油醇2.6kg，把混合料搅拌均匀，形成厚膜浆料，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体放入高温炉中烧结，烧结温度为1100℃，烧结时间为 180min，烧结气氛为空气。
[0039] 实施例四：
[0040] 取单质硅6.2kg及氧化硅1.8kg和氧化镁2.0kg，按单质元素和亚纳米级氧化硅和氧化镁渣相材料混合制备功能相复合粉体。
[0041] 向10.0kg功能相复合粉体中添加无铅玻璃2.4kg，添加石墨烯0.1kg，混合均匀后，加入有机溶剂37.5kg，有机溶剂分别为蓖麻油33.8kg，蓖麻油酸钙1.5kg，乙醇2.2kg，把混合料搅拌均匀，形成厚膜浆料，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体放入高温炉中烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为120min，烧结气氛为空气。
[0042] 实施例五：
[0043] 取单质硅1.0kg、氧化镁1.4kg、氧化铝1.4kg、氧化钇0.2kg，按单质元素和纳米单质硅、氧化镁、氧化铝和氧化钇渣相材料混合制备功能相复合粉体。
[0044] 向10.0kg功能相复合粉体中添加无铅玻璃2.4kg，添加石墨烯0.2kg，混合均匀后，加入有机溶剂37.4kg，有机溶剂分别为蓖麻油31.0kg，蓖麻油酸钙1.5kg，乙醇1.9kg，松油醇1.9kg，正丁醇1.1kg，把混合料搅拌均匀，形成厚膜浆料，将厚膜浆料涂敷在陶瓷基体上，将涂敷厚膜浆料的陶瓷基体放入高温炉中烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，烧结气氛为空气。
[0045] 对比例1
[0046] 按照实施例1的方法制得的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料，所不同的是，未添加石墨烯。
[0047] 对比例2
[0048] 按照实施例1的方法制得的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料，所不同的是，未添加玻璃粉。
[0049] 对比例3
[0050] 按照实施例1的方法制得的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料，所不同的是，未添加渣相。
[0051] 对比例4
[0052] 取碳晶粉3kg，石墨烯4kg，
钛粉6kg，充分搅拌均匀，经过1100℃高温
煅烧后冷却，过滤掉超过纳米级以上的颗粒，加入1kg粘接剂和1kg稀释剂制备纳米高分子纳米发热材料。
[0053] 为了验证本发明所提供的技术方案能够达到所述技术效果，对各实施例和对比实施例所提供的方案进行了测试实验，测量其最佳导电率和25-600℃温度区间内
热膨胀系数，具体数据如表1所示。
[0054] 表1
[0055]
[0056] 实施例1-5提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的导电率、光电转化率均高于对比例1提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的导电率和光电转化率，说明高电子迁移率、高导热系数的石墨烯添加可以显著提升发热材料的导电性能、光电转化率和
热稳定性。
[0057] 实施例1-5提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的热稳定性和光电转化率均高于对比例2提供的未添加玻璃粉的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的导电率、热稳定性和光电转化率，说明高透光和较高热稳定性的玻璃相的加入可以显著提升发热材料的热稳定性和光电转化率。
[0058] 实施例1-5提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的热稳定性和光电转化率均高于对比例3提供的未添加渣相的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的热稳定性和光电转化率，说明具有小尺寸效应的纳米或亚纳米级的渣相的加入显著提升发热材料的光电转化效率。
[0059] 实施例1-5提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的导电性、
热膨胀系数和光电转化率显著高于对比例4提供的石墨烯改性发热材料的导电性、热膨胀系数和光电转化率，说明采用本发明提供的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的制备方法，通过将原料均匀混合，加入有机溶剂制成浆料的方式制备的材料的一致性更好，在1100-1200℃条件下烧结得到的发热材料的性能更佳。
[0060] 综上所述，本发明提供的石墨烯改性无极非技术厚膜发热材料的制备方法工艺简单，制备的石墨烯改性无机非金属厚膜发热材料的导电率在6×105S/m以上，热膨胀系数在11×10-6/K以下，光电转化率在92％以上，具备优良的导电、光电转化和稳定性能，电阻低，能量损耗低，加热温度0-900℃条件下不易损坏，厚膜材料与基体材料结合牢靠，可采用多种方式涂敷于平面、曲面或环面基体上，可广泛应用于工业、农业、建筑及家用电器等领域。
[0061] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的
修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
