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  基于焦耳效應的電發(fā)熱器因其在可穿戴設備、除霧和除霜、加熱系統(tǒng)等領(lǐng)域的廣泛用途而備受關(guān)注。當施加電壓時，電流通過電發(fā)熱器產(chǎn)生焦耳熱從而使其表面溫度升高。為滿足高性能加熱系統(tǒng)的需求，迫切希望電加熱器兼具柔性、高透明性、低外施電壓、高發(fā)熱溫度、快速響應及良好的熱穩(wěn)定性和物理機械性能。銦錫氧化物（ITO）由于其優(yōu)異的透明度（Tr＞90%）已被廣泛用于透明電發(fā)熱器工業(yè)中，然而其低柔性、高脆性、慢速熱響應和復雜的制備工藝等缺點嚴重限制了在柔性可穿戴設備和高性能加熱系統(tǒng)中的應用。以聚合物為柔性基體，以石墨烯、碳納米管和銀納米線等為高導電功能填料制備柔性透明電熱膜成為最近的研究熱點。然而，目前柔性電熱膜通常以熱穩(wěn)定性和力學性能較低的聚合物為基體，所得電熱膜電阻較大，因此存在驅(qū)動電壓高、發(fā)熱溫度低（通常低于100℃）和力學性能差等缺點，難以滿足航空航天、軍事工程等高性能加熱系統(tǒng)中的應用。

  本研究采用簡便高效的兩步真空輔助抽濾（TVAF）-熱壓成型法，設計開發(fā)了一種基于高強耐熱芳綸納米纖維（ANFs）和高導電銀納米線（AgNWs）的快速響應高溫柔性電熱膜。所得ANF/AgNW納米復合電熱膜中，ANFs和AgNWs分別作為高性能基體和高效導電發(fā)熱層，使電熱膜兼具柔性、低電阻、高發(fā)熱溫度和快速熱響應等特性。在低外施電壓（0.5~5 V）下，電熱膜的最高發(fā)熱溫度可達200°C，獲得穩(wěn)定發(fā)熱溫度的響應時間低至10 s。此外，由于銀納米線表面的聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）與ANFs之間形成氫鍵作用，且銀納米線被部分嵌入ANF基體，從而使銀納米線與ANF基體之間具有良好的界面粘結(jié)作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀力學性能。當AgNW面密度為0.4g/m²時拉伸強度和模量分別達到285.7 MPa和6.5 GPa。更重要的是，AgNWs表面包覆的致密ANF薄層對AgNWs具有保護作用，使柔性電熱膜在空氣中長時間發(fā)熱、反復彎折、接觸水或者溶劑等苛刻條件下都保持良好的電發(fā)熱穩(wěn)定性。此項工作為柔性、高性能電熱膜的設計開發(fā)提供了一種簡便高效的方法，所得柔性高性能電熱膜在可穿戴設備、人工智能和高性能加熱設備等新興領(lǐng)域具有良好的應用潛力。

圖1 ANF/AgNW納米復合電熱膜的制備示意圖及斷面形貌

圖2 ANF/AgNW納米復合電熱膜的電學、力學和發(fā)熱性能

圖3 柔性ANF/AgNW納米復合電熱膜在彎曲（a）、異形（b）、蒸汽（c）條件下的電發(fā)熱行為及在個人熱管理中的應用（d和e）

  研究成果以“High-Performance and Rapid-Response Electrical Heaters Based on Ultraflexible, Heat-Resistant, and Mechanically Strong Aramid Nanofiber/Ag Nanowire Nanocomposite Papers”為題發(fā)表在ACS?Nano期刊上（ACS Nano, 2019, doi.org/10.1021/acsnano.9b00434）。陜西科技大學為論文的第一完成單位，陜西科技大學馬忠雷副教授為第一作者兼通訊作者，陜西科技大學馬建中教授、西北工業(yè)大學顧軍渭教授為本文的共同通訊作者。此研究工作得到國家自然科學基金（51773169）、陜西省自然科學基礎研究計劃（2018JQ5060；2018JM5001）和陜西省教育廳專項科研計劃項目（17JK0100）等的支持。

論文信息及鏈接：

  Zhonglei Ma*, Songlei Kang, Jianzhong Ma*, Liang Shao, Ajing Wei, Chaobo Liang, Junwei Gu*, Bin Yang, Diandian Dong, Linfeng Wei and Zhanyou Ji. High-Performance and Rapid-Response Electrical Heaters Based on Ultraflexible, Heat-Resistant, and Mechanically Strong Aramid Nanofiber/Ag Nanowire Nanocomposite Papers. ACS Nano, 2019, doi.org/10.1021/acsnano.9b00434. (2018IF=13.903) 

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b00434