高海拔隧道工程零碳供暖办公营地石墨烯制热 设备工作原理

欧阳章财，姜宏润

（中建八局中国建筑土木公司，北京 100000）

1 石墨烯

石墨烯是碳晶体同质异构体，具有二维性质，碳原子密集排列在规则的原子尺度铁丝网（六角形）上。石墨烯内碳原子的排列与石墨单原子层一样在sp2混合轨道上结合，碳原子中有四价电子，其中3个电子产生sp2键，即每个碳原子有助于形成π键，新形成的π键呈现半填充状态，证实了石墨烯中碳原子的配位数是3，相邻两个碳原子之间的结合长度是1.42×1010m，键与键之间的角度为120°。除…以外σ除了连接到其他碳原子和六角环的蜂窝层状结构之外，垂直于每个碳原子的层平面的pz轨道可以形成贯穿整个层的多原子的大π耦合（类似于苯环），从而具有优异的导电性和光学性质。

一旦石墨烯暴露于含有碳的分子（例如碳氢化合物），就可以自我修复片上的孔。在纯碳原子的冲击下，原子被完美地排列成六角形，完全填满了空洞。通过透射电子显微镜（TEM）检查单层石墨烯的原子结构，电子衍射图显示了预期的蜂窝状晶格（图1）。悬浮石墨烯也显示平板的“波纹”，振幅约为1nm。由于二维晶体的不稳定性，这些波纹可能是由于材料固有的或在所有石墨烯的TEM图像中没有发现的污点。通过扫描隧道显微镜可以获得孤立的单层石墨烯的原子分辨率实际空间图像SiO2衬底。光致抗蚀剂残留物（需要去除以获得原子分辨率图像）是在透射电子显微镜图像中观察到的“吸附物”，并且可以解释观察到的皱纹。SiO2上的皱纹是由石墨烯和底层SiO2的构象引起的，不是固有的。

图1 石墨烯晶体结构

2 发热原理

石墨烯采暖技术通过与电源连接红外线发热，该红外线不会对人体造成损伤，可以将该光波转换为热量，送到房间，提高室内温度。与传统的采暖系统相比，这种采暖符合采暖需求，可以通过放射线转化为热量，热效率可达80%以上，因此更健康、更环保。有升温速度快、节能环保、热损失率低、寿命长等优点，经试验，25m2的房间从-5℃升温到22℃只需5min，晚上6：00至早上8：00保持房间22℃的恒温只需8度的电。

石墨烯发热原理是基于单层石墨烯的特性，首先石墨烯是迄今为止导热系数最高的材料，导热系数为5 300W/m·K，具有非常好的导热性能。石墨烯在室温下下载了超过硅材料10倍的1 500cm/（v.s）的流子（导电离子），这是当前已知的载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的2倍以上[1-3]。

石墨烯热膜与以往的发热膜同样需要通电发热，以石墨烯热膜两端的电极为例，电膜中的碳分子在电阻中产生声子、电子和离子，因此产生的碳分子相互碰撞（又称布朗运动）并产生热能。通过控制波长为5~14μm的远红外，在平面内均匀地释放热能。

特殊石墨烯材料的超导性保证了加热性能的稳定，有效电加热能量的总转化率达到99%以上。但是，与以往的丝热膜不同，发热稳定且安全，被放出的红外线被称为“生命光线”。

壁挂式石墨烯采暖器主要应用石墨烯材料的超强导电性和导热性，通过磁控溅射过程将石墨烯均匀地平喷在石墨纤维超导纳米基板上，将二维晶体石墨烯作为超导体，在电驱动作用下超强地发热，热能是以前的电暖气的数十倍。具有加热速度快、电热转换效率高、温度更均匀等特性，可广泛对应工程露营建设办公区、生活区、教育市场、医疗场所及古楼改造等，可采用智能温度控制系统实现移动电话APP的远程控制，随着开关的进行，马上就会变热。远红外线暖气和人们晒太阳取暖的原理是一样的。太阳光中的远红外线被称为“生命之光”，是万物成长所必需的能量。

3 石墨烯采暖设备的优点

壁挂式石墨烯采暖器采暖的优点很多，一是环保，它采用电能加热，无辐射无氧消耗，且干净卫生。第二是舒适，把电力变成热源，满足室内的暖气，即使不干燥也不需要加湿。第三点是供热快，使用灵活，立即打开，随意调节温度。工作时会发出像太阳光一样的热量，用6~16m的远红外线光波理学疗法进行加热。当石墨烯远红外线与人体接触时，其温度被人体吸收，促进人体血液循环和新陈代谢，增强人体抵抗力，改善人体功能，是健康的理学疗法加热方法，符合人们的健康和养生理念。

双向节能、快速升温、暖气稳定10s发热、石墨烯热膜通电发热、经济节电、安装拆卸更方便：直接敷设墙面即可，远红外自然健康疗法对人体产生光波理疗，调节人体亚健康的身体状态。

4 石墨烯膜导热材料

当x-π发生于两层薄壁板中间时，石墨烯独特的双层板构型90%会实现致密有序的带状结构，从而提供了水平面内的介质，这十分有利于声子的水平面传播。与此同时，石墨烯的热导率越高，更有助于提升薄膜的面内热导率。

其实石墨烯影响其热导率的主要因素和机理与石墨烯纤维非常相似。归根于石墨烯的表面有超强的原子结合力，自组装膜的形成率极低，氧化石墨烯有高密度缺陷，导致sp2晶体面积急速增大从而达到提高薄膜热导率的目的，把氧化石墨烯作为修复原材，用高温退火的方法对石墨烯薄膜进行缺陷修复。另一方面，断断续续的薄层构型作为声子传播的阻力，因薄层褶皱和层叠构型特点会导致薄层的取向度减小，进而弱化热导率。由于平面内类似于无限扩展，石墨烯片层极易扩大，导致其在平面方向存在高取向度，这一现象规避了法线热传导差利用平面内热传导的 不足[4]。

5 石墨烯纤维导热材料

21世纪以来，依靠高热导率这一特性，石墨烯在纤维制备方面以及对热传导性能要求高的宏观构件制造方面一直是研究的热点。未经表面处理的石墨烯化学稳定性超高，且无法自组宏观结构，因此氧化石墨烯可以通过还原转化为石墨烯，在水中极佳的分散性让宏观构件的制造成为可能[5]。

由于石墨烯存在不同取向的现象导致其热导率受限，取向越高导致石墨烯片层的轴向导热性能越强。Park教授表明：在形成稳定液晶相的浓度范围内，氧化石墨烯分散液为非牛顿流体，当从窄通道流出到扩展区域，氧化石墨烯片层在垂直方向上重新排列，挤出薄层从其他方往上扩展。普遍采用的设计：通过收缩纺纱通道来抑制片层的垂直取向，然后强力拉伸纺纱纤维。实验该方法可以使石墨烯的轴向取向度达到81%。

经研究发现石墨烯特有的二维构型，长宽比差距大，内部纤维非常容易折叠，出现大的空隙。理论计算石墨烯晶体体积密度为2.2g/cm3，但低温下产生凝聚态后密度下降到1g/cm3，但通过拉伸或高温处理等步骤，可以大幅度提高密度为1g/cm3。但是，比以往的碳纤维密度（1.7~1.9g·cm3）低，是热传导率不优选的重要原因。

针对以上问题，采用2 850℃高温退火在轴向形成大的亚微米级晶体区域，修复石墨烯缺陷，降低声子散射，实现有效的声子传输，热导率达到1 290W/（m·K）1[6]。采用管状通道纺纱，因石墨烯片层与通道尺寸、几何形状有差异，导致片层的褶皱和随机取向，使用平坦收缩的通道制备高取向石墨烯片带状纤维，当氧化石墨烯片溶液从宽通道进入窄通道时，随通道截面积减小，流速和剪切应力增加，流体黏度降低。同时，直径比高的通道与二维氧化石墨烯片层具有几何兼容性，优化薄层排列，提高轴向薄层取向度，经过2 500℃高温退火，径向微晶尺寸可达612nm，纤维热导率为1 575W/（m·K）石墨烯片纤维的热导率可以比单层石墨烯片具有差异。这是因为在不连续的薄层结构中存在大量的声子散射现象。另外，石墨烯片层难以完全修复用于在纤维内部的褶皱层中制造纤维的氧化石墨烯片自身所具有的各种晶格缺陷，这是石墨烯片纤维低于其固有热导率的根本原因[7]。

6 石墨烯热导率的研究进展

6.1 厚度对石墨烯导热的影响

石墨烯表现出与石墨不同的单原子层材料的声子特性（图2）。随着石墨烯原子层数的增加，石墨烯自然产生了一个问题，表明石墨烯嵌段具有怎样的厚度。从计算的角度来说明上述Lindsay等人的动作，在多层石墨烯和石墨中，3个声子散射和原子能常数的关系与单层石墨烯不同，不适用选择规则，ZA声子的散射变大，热传导率降低。随着石墨烯原子层数的增加，热导率随之降低。当厚度为双原子层时，石墨烯整体和ZA声子贡献的热导率都大幅下降（石墨烯原子层数＞5，其热导率非常接近石墨体。层数＞4，石墨烯的热导率接近体石墨）。此外，对于配置在基板上的支撑石墨烯和上下具有基板的三明治石墨烯（Enceased），ZA声子与基板相互作用对热导率的贡献低于悬空石墨烯，其作用强度随着原子层数的增加而变化[8-10]。

图2 单层石墨烯薄膜

6.2 横向尺寸对石墨烯传导率的影响

通过计算可以从石墨烯水平面方向获得声子的平均自由程。通过第一原理计算分别得到LA和TA声子的Gruneisen参数，在水平面的声子的平均自由程为10μm（即石墨烯尺寸小于10μm的情况下），显示出明显的热导率随尺寸增加。研究发现，在思考三个声子过程和声子边界散射角度时，遵循石墨烯热导率横向尺寸L小于30μm时log（L）增加的规律，从而计算出横向尺寸的最大值在30μm左右，随着横向尺寸的增加而减小。

7 总结

川藏铁路沿线地区日照强度大，拥有丰富的太阳能，研发出太阳能板发电技术+大电池储存技术+石墨烯采暖技术三种结合方式，实现零碳采暖，有效保障野营温度，实现野营建设的“零碳采暖”，实现野营建设的全环境保护以及营建零排放，保障了川藏铁路的安全建设和运营。