石墨烯電熱涂料以其高電熱轉換效率及節能環保等特性，引發了廣泛關注。文中綜述了石墨烯電熱涂料的制備技術，分析了導電性能和穩定性的關鍵影響因素，提出了優化石墨烯含量、復合填料設計、基料選擇和提高分散性是提升石墨烯電熱涂料性能的核心策略。結合其在家居采暖、工業溫控等領域的應用前景，指出高溫穩定性與綜合性能優化仍是當前研究重點。
關鍵詞：
石墨烯；電熱涂料；導電性能；工作穩定性
電熱是將電能轉化為熱能并加以利用的過程，它的發現和發展對人類的生活具有重要的意義。相比以煤、石油、天然氣、煤氣為能源的傳統加熱方式，電熱因其熱轉換率較高、易控制等優點，廣泛應用于人們生活和工業領域，在國民經濟中顯示出重要的地位。電熱轉換方式主要有感應式、電阻式、微波等，其中應用最廣泛的是電阻式加熱，主要包括電熱絲、電熱棒和電熱盤等。盡管這類加熱元件具有發熱溫度高和耐熱性好等優點，但也存在壽命短、安全性差、熱損耗大及不節能環保等缺點，限制了其進一步發展。近幾十年來，電熱涂料是基于導電涂料所開發的一類新型功能材料，可直接涂覆在絕緣基體上形成電熱涂層，并作為電熱元件使用。電熱涂層的面狀加熱方式，有利于更加高效的傳熱與散熱，表現出良好的電熱轉化性能，可廣泛應用于家居生活、工農業、航天等領域。
按照導電原理，電熱涂料分為本征型和添加型2類。本征型電熱涂料制備困難，成本較高，不適用于實際生產；添加型電熱涂料主要是在基料中加入導電填料，使之具有電熱性能。但以金屬和金屬氧化物為代表的導電填料，存在成本高、易腐蝕及安全性較差等缺點，極大阻礙了電熱涂料的應用。以石墨烯為代表的碳基材料的發現，推進了電熱涂料快速發展與應用。石墨烯是一類由單層碳原子排列而成的二維材料，不僅導電性和導熱性極高，且具有優異的機械性能和化學穩定性，使之成為電熱涂料中最理想的導電填料之一。隨著研究的不斷深入，人們發現石墨烯電熱涂料具有紅外輻射率高、節能環保、使用壽命長等特性，在電熱涂料領域展現出獨特優勢。
本文概述了石墨烯電熱涂料的制備方法，從導電性能和電熱穩定性兩方面，探討了電熱性能的影響因素，總結了石墨烯電熱涂料的應用場景，并論述了該領域存在的問題和發展前景。
1 石墨烯電熱涂料的制備
石墨烯電熱涂料主要由導電填料、基料、溶劑和助劑組成。其中，導電填料為石墨烯或其復合導電材料，是影響電熱涂料導電性能最主要的因素；基料，即成膜物質，直接決定電熱涂層的物理化學性能，包括有機樹脂（環氧樹脂、有機硅樹脂、丙烯酸樹脂等）與無機化合物（硅酸鹽、磷酸鹽等）；溶劑為水或有機溶劑，主要起到分散介質作用；助劑包括潤濕劑、流平劑、消泡劑等，盡管添加量少，但可提升其綜合性能。
石墨烯電熱涂料的制備一般分為3個步驟：（1）導電漿料的制備；（2）電熱涂料的制備；（3）電熱涂層的制備。徐晶璐等將石墨烯、碳纖維、水及分散劑混合，得到導電漿料；先后加入環氧樹脂乳液及固化劑，充分攪拌得到電熱涂料；最后，利用機械刷涂并固化成電熱涂層。張朋等采用超聲的方式，將石墨烯、碳納米管與分散劑充分分散均勻，制備得到導電漿料；然后，將水性羥基丙烯酸-氨基樹脂分散液加入至導電漿料中，攪拌并烘干固化成電熱涂層。Xiong等將石墨烯在丙酮中分散，得到石墨烯導電漿料，然后加入少量丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）改性環氧樹脂、抗氧化劑及碳纖維，并烘干得到電熱涂層。
2 石墨烯電熱涂料與電熱性能
電熱涂料的導電性是其電熱性能的基礎，直接影響其發熱溫度、發熱功率及發熱效率，決定了電熱涂料的應用范圍。此外，電熱涂料的穩定性為電熱性能的另一重要指標，主要指涂層在長時間通電發熱過程中，發熱溫度是否能夠保持穩定，以及涂層材料是否能夠抵抗熱老化，是電熱涂料長期應用的關鍵性能。
2.1 導電性能
當石墨烯含量達到一定比例時，會在涂層中形成導電網絡，導致電阻率急劇降低，從而提高導電性能。有研究發現，當石墨烯含量低于1.0%時，大多數導電粒子處于分離狀態，不能形成有效導電通道，因此涂料的電阻率大，導電性差；當其含量為1.5%時，導電粒子的含量超過滲濾閥值，可相互形成有效的導電通道，導致電阻率急劇降低；繼續提高石墨烯含量，形成更完善的導電通路，電阻率繼續下降，但趨于平穩；但當含量達到4.0%時，導電性開始變差，歸因于較差的分散性及其成膜性。
除了石墨烯，常用的導電填料包括碳黑、石墨與碳納米管等碳基材料。其中，石墨與炭黑具有較低的電導率（10~102 S/m），遠低于石墨烯的電導率（105 S/m），單一炭黑或石墨涂層的電阻率明顯高于單一石墨烯涂層。但炭黑或石墨的價格低廉，從經濟角度來說是不錯的選擇。相比之下，碳納米管因其出色的電導率（104~106 S/m）受到廣泛關注。但碳納米管的缺陷和團聚會顯著影響其導電性能，使其在涂層中的導電性能不如石墨烯。Risi等研究發現，碳納米管在樹脂中分散不良會導致導電路徑中斷，從而降低了整體電導率。隨著研究的深入，人們發現當采用石墨烯-碳納米管復合導電填料時，可有效結合石墨烯的二維導電性和碳納米管一維導電性的優勢，相較于單一石墨烯導電填料，復合涂層展現出更優的導電性能。Li等的研究表明，石墨烯和碳納米管的良好結合可以形成連續的導電網絡，極大地提高整體的導電性能。Tong等發現，采用石墨烯和碳納米管復合導電填料，聚氨酯涂層的電導率明顯優于單一導電填料體系。姜雄峰等在導電填料中添加碳納米管和石墨烯，有效提高了涂料的導電性，通過調節填料比例，可實現1.9×10-4 Ω/m的體積電阻率。
除了導電填料，基料的種類和含量也會影響涂層的導電性能。黃坤等制備了基于環氧樹脂、環氧改性有機硅樹脂或乙烯基樹脂的石墨烯電熱涂料，研究發現以乙烯基樹脂作為基料，其涂層電阻最小，而環氧樹脂涂層的電阻最大。主要原因是在涂層固化過程中，不同樹脂的體積收縮率不一樣，導致導電網絡相互貫穿的程度及其滲流閾值不同。另外，基料含量的增加會增強對石墨烯導電填料的包裹，減少導電粒子間的有效空間連接，導致涂料導電性能下降。
此外，由于具有納米尺寸的石墨烯填料在電熱涂料體系中很難均勻分布，從而影響了導電通道的形成。因此，提高石墨烯填料的分散程度是提升涂料導電性能有效方法之一。可采用氧化還原技術或超聲處理手段，制備分散性優異、導電性能良好的石墨烯電熱涂料。
2. 2 電熱工作穩定性
石墨烯的含量不僅影響涂層的導電性，也會對涂層加熱效率和加熱溫度產生影響。當增加石墨烯含量時，涂層的升溫速率和加熱溫度會有一定提升，符合Broadbent 等所提出的滲流理論。Redondo等制備了石墨烯含量分別為8%、10%、12%的復合涂層，研究發現石墨烯含量為12%的涂層具有更高的加熱溫度和更快的加熱速率（13.6 ℃/min）。但當石墨烯達到一定含量時，即滲流閾值，涂層的升溫速率達到最大；進一步增加其含量，會降低石墨烯的分散性，影響涂層的成膜性和導電性能，涂層加熱溫度與加熱速率會變得緩慢，甚至下降。
采用石墨烯復合導電填料，可有效提高涂料的電熱工作穩定性。Doblas等發現，以石墨烯和碳納米管作為導電填料的聚氨酯電熱涂層，不僅具有較好的熱穩定性，且其電熱工作穩定性良好，在650 V施加電壓下，電熱行為保持不變。Tian等制備了石墨烯/氧化石墨烯雙層電熱膜與石墨烯單層電熱膜，研究發現加入氧化石墨烯層，具有更高的穩態溫度（162.6 ℃，原為70.1 ℃）和更快加熱速率（8.4 ℃/s，原為2.61 ℃/s）。此外，不同種類的基料的熱穩定性、導電性能和機械強度差異，會直接影響涂料的導電網絡、耐高溫性能及長期使用的穩定性。通常無機涂層相比有機涂層具備更好的熱穩定性和機械強度，在高溫和苛刻環境下應用較為合適；而有機樹脂在加工性和黏附力方面通常更具優勢。比如，以有機樹脂作為基料，在36 V外加電壓下，涂層的穩態溫度只有76 ℃；而采用水玻璃作為基料，涂層穩態溫度高達302 ℃。
值得注意的是，雖然傳統碳系材料具有一定的導電性，但其導電網絡較為松散，難以在涂層中形成高效的導電通道，從而限制了其電熱性能。相比之下，石墨烯獨特的二維結構，使其能夠在涂層中形成高效的導電網絡，顯著提高了涂層的導電性和電熱穩定性。石墨烯的優異導電性和高比表面積使其能夠在較低的含量下實現較好的電熱性能，從而降低了高填料含量對涂層成膜性和性能的負面影響。因此，在電熱效率和穩定性方面，其他碳系材料所制備的電熱涂料，要弱于石墨烯電熱涂料。例如，Jia等開發了碳納米管透明導電薄膜，加熱速率、穩態溫度分別為6.1 ℃/s和75.5 ℃，性能弱于石墨烯導電薄膜。余曉軍制備了以熱裂解炭、乙炔黑和碳納米管為導電填料的電熱涂料，加熱速率、穩態溫度可達到8.6 ℃/min和75 ℃，不如添加石墨烯的電熱涂料。
3 石墨烯電熱涂料的應用前景
石墨烯電熱涂料因其熱轉換率高、發熱快、節能、環保、安全等諸多優點，可高效地應用于家用電熱產品中。目前市場上已有石墨烯電熱水壺、石墨烯電暖器、石墨烯電烤爐等系列家電產品，獲得了很好的市場反響。在工業加熱方面，石墨烯電熱涂料也可替代傳統的加熱方式，用于烤漆房、烘干房、飛機除冰、反應釜、石油管道等，使設備易自動控制，使用更加高效。
在農業方面，基于石墨烯的遠紅外線對植物的生長和根系的發育具有良好的促進作用，石墨烯發熱體在蔬菜溫室大棚、苗圃、花房、無土栽培等有著廣闊的應用前景；遠紅外線對畜禽、水產健康繁育也起到促進作用，已有將石墨烯電熱涂料廣泛應用于海蝦養殖的案例。
在醫療保健方面，石墨烯電熱涂料在發熱狀態會發射波長6~15 μm的遠紅外線，熱輻射效率高，可被人體有效地吸收，成功轉化為熱能；并且與生物細胞、水分子產生共振效應，促進血液循環，加快新陳代謝，緩解酸痛，增強組織和細胞再生能力，具有保健的功效。
4 結 語
本文介紹了石墨烯電熱涂料的制備，并從電熱涂料的導電性能和工作穩定性兩方面，重點分析了石墨烯電熱涂料的組分對其性能的影響，并討論了石墨烯電熱涂料在多個領域中的應用前景。盡管石墨烯電熱涂料在電熱領域具有突出的優勢，取得了一定的研究進展，但大部分成果集中于石墨烯電熱涂料在低溫領域的應用研究。在高溫領域，目前鮮有研究，特別是如何提高其在高溫下電熱工作穩定性，已成為當前該領域迫切需要解決的關鍵問題。此外，如何解決石墨烯電熱涂層的電導率、電熱效率與涂層的附著力之間平衡的問題，也是該領域面臨的巨大挑戰。盡管石墨烯具有優異的導電性能，但其在涂料中的分散性較差，往往導致涂層的附著力下降，從而影響涂層的使用壽命和穩定性。另外，在提高石墨烯涂層電熱效率的同時，其機械強度和附著力往往受到影響，這可能導致涂層在實際應用過程中容易剝落或損壞。因此，如何通過優化石墨烯的添加量和分散技術，既提高涂層的電導率、電熱效率，又保證其附著力，仍是未來研究的一個重要方向。
綜上所述，盡管石墨烯電熱涂料在低溫電熱應用領域取得了重要的研究進展，但其高溫穩定性，及導電性、電熱效率與附著力之間的平衡等問題仍需進一步深入研究。未來可從石墨烯材料的改性、基料的優化與涂層結構的設計等方面進行深入研究，進一步提升其電熱性能，拓展石墨烯電熱涂料的應用范圍，在工農業、國防等領域實現新的突破。