柔性厚膜加熱產品與其他同類加熱產品性能對比

葛愛雄，趙艷嬌，馮嘉俊，李茹茹

1.新興際華（北京）材料技術研究院有限公司，北京 100078；2.際華集團股份有限公司系統工程中心，北京 100160；3.廣東天物新材料科技有限公司，廣東廣州 511400；4.北京邦維高科新材料科技股份有限公司，北京 100043

0 前言

隨著“十四五”規劃科技創新主線的提出[1-3]，在與廣東天物新材料科技有限公司的合作中，采用自研厚膜漿料，通過接觸式絲網印刷工藝，制備了聚酰亞胺、導電厚膜、硅膠、聚酰亞胺四層柔性厚膜加熱元件[4-7]，導電厚膜層厚度為15 μm~20 μm。同步選擇了市場上常用的同規格加熱產品進行測試與性能對比，對本技術存在的不足進行完善，對已達標性能進行進一步綜合優化。

本次測試對象為柔性加熱厚膜（自研）、金屬片、碳纖維、碳膜和碳納米管發熱元件，對其導熱性能、絕緣性能、耐彎折性、遠紅外轉換效率、耐溫性、靜電放電抗擾度和防水等級等性能進行對比。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）柔性發熱厚膜、金屬片、碳纖維、碳膜、碳納米管發熱元件及柔性厚膜和碳納米管加熱產品測試樣品，見圖1。

圖1 測試樣品

（2）聚合物鋰電池：10 000 mAh。

（3）材料：膠黏劑、電子控制電路、防水開關、連接線、USB插頭等。

1.2 儀器及設備

IDI6106型耐壓測試儀；直流穩壓電源；KSON THS-D4C-100型恒溫恒濕試驗箱；YUANFANG PF9808B型數字功率計；KSON THS-D4C-100型恒溫恒濕試驗箱；EV210H0606VCSusb-2型振動測試儀；NEXUS-670型傅立葉紅外光譜儀；TH101B型溫濕度計；KEYSIGHT34970型多路溫度巡檢儀；熱流檢測計、彎折測試儀和LR8438型溫度/熱流測試計等。

1.3 測試方法

1.3.1 導熱性能測試

依照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行測定，將測試環境室溫調節至（20±5）℃，使用恒溫平臺提供恒溫溫度。將不同測試樣板放置在恒溫平臺上，將熱流采集片貼在測試樣板靠空氣一面進行測試，通過溫度/熱流測試計記錄熱流數據。

1.3.2 遠紅外性能測試

法向全發射率性能測試按照GB/T 4654—2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術條件》和GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》標準規定進行測試。

1.3.3 耐溫性能測試

調節環境溫度為（20±5）℃，采用恒溫平臺進行溫度模擬測試，采用多路溫度巡檢儀進行溫度準確度確認，器件通過高精度電阻計記錄電阻變化。將被測材料裁剪為3×3 cm尺寸的器件，其中碳纖維發熱件采用彎曲鋪滿的方式達到標準尺寸進行測定。恒溫平臺溫度由20℃開始上升，每提高1℃保持10 min，直至溫度達到500℃或所有材料不耐受溫度遭到破壞。其中，電阻值變化超過50%、發熱器件短路/斷路或材料受損，則判定材料的最高耐溫點為上一個設定溫度點。

1.3.4 抗電強度性能測試

按GB4943.1—2011《信息技術設備安全第1部分：通用要求》中5.2：抗電強度試驗（DC5000V）規定測試。

1.3.5 交變鹽霧性能測試

按GB/T 2423.18—2012《環境試驗 第2部分：試驗方法試驗Kb：鹽霧，交變（氯化鈉溶液）》規定測試。

1.3.6 耐洗滌性能測試

水洗前，將發熱器件通電后使用多路溫度巡檢儀，按照IEC 60335-2-17標準進行溫度測試。采用水洗洗滌設備，將產品放入洗衣袋，洗衣機調節至輕柔模式，重復3次洗滌測試。水洗徹底晾干后，將發熱器件通電后，進行溫度測試。

1.3.7 耐彎折性能測試

測試溫度22.6℃，濕度56.4%條件下，在環境溫度25℃下測試。將發熱膜通入直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察發熱溫度；使用彎折測試儀給發熱膜折疊10 000次，折疊角度為160°；折疊完畢后，將發熱膜通入直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察發熱溫度。同步選取同樣規格碳納米管發熱材料按照上述要求測試。

1.3.8 靜電放電抗擾度性能測試

按照GB/T 17626.2—2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》和GB/T 17618—2015《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》標準進行測試。同步選取同樣規格碳納米管發熱材料按照上述要求測試。

1.3.9 防進水試驗

防進水試驗，依據IEC 60529∶1989+A1∶1999+A2∶2013《外殼防護等級（國際防護等級代碼）》規定制作試樣進行測試。

1.3.10 恒溫性能測試

采用IEC 60335-2-17標準測試方式進行測試；測試環境溫度為（20±5）℃；測試樣品放置在該環境下保持4 h；將產品平攤在試驗臺的海綿上（海綿為開孔聚醚，孔數個/cm，質量密度為30 kg/m3,硬度按照ISO 2439標注測得在40%的壓痕時為120~170 N，產品放置在兩層海綿之間。中下層海綿72 mm，上層為7.2 mm，產品發熱區域不能互相重疊，若有拉鏈或紐扣的，應拉合或扣起。使用多路溫度巡檢儀在產品的發熱表面設置熱電偶測溫點，測溫點直徑不應超過0.3 mm，熱電偶的表面貼合在65×65×0.5 mm或直徑15 mm、厚度1 mm的銅或黃銅上進行測試。采用標配產品的電源進行供電。啟動按鍵開關加熱并調至不同溫度檔位的設定值，進行加熱工作。待溫度穩定后確認是否能持續保持溫度設定值。

2 結果與討論

2.1 導熱性能分析

導熱性能測試實物見圖2。

圖2 導熱性能測試實物圖

導熱性能測試結果及參數見表1。

表1 導熱性能測試結果

通過測試數據比較可得導熱性能：碳纖維＞柔性厚膜＞碳納米管＞金屬＞碳膜。碳纖維發熱的導熱性能最高，熱交換效率最高，柔性厚膜次之，且優于碳納米管，碳膜熱交換效率最低。

2.2 遠紅外性能分析

遠紅外法向全發射率測試結果及參數見表2。

表2 遠紅外性能測試結果

結果顯示，本系統在加熱的過程中，遠紅外轉換效率的比較結果為：柔性厚膜轉換率最大，碳纖維、碳膜和碳納米管轉換效率一致，金屬遠紅外轉換效率最低。這表明在人體特定波長內，柔性厚膜發熱系統具有較強的發射遠紅外能力，遠紅外理療功能效果最好。

2.3 耐溫性分析

耐溫性能測試結果及參數見表3。

表3 耐溫性能測試結果

通過數據可見，柔性厚膜發熱系統耐受溫度性能最高，碳纖維發熱系統次之，金屬與碳膜發熱系統性能相當，碳納米管發熱系統耐溫性能最低。

2.4 抗電強度分析

抗電強度性能測試示意圖見圖3。

圖3 抗電強度測試示意圖

抗電強度性能測試結果見表4。

表4 抗電強度性能測試結果

測試時在銅端與發熱膜之間每分鐘梯度施加電壓，直至該部位被擊穿時停止。柔性厚膜被擊穿時電壓為5 000 V，金屬和碳膜被擊穿時電壓為1 000 V，碳納米管被擊穿時電壓為700 V，碳纖維最低。這說明柔性厚膜加熱系統耐壓絕緣性較好，無靜電安全風險。

2.5 交變鹽霧性能分析

交變鹽霧性能測試結果見表5。

表5 交變鹽霧性能測試結果

交變鹽霧性能測試過程見圖4。

圖4 鹽霧測試試驗過程示意圖

通過測試結果可見，柔性厚膜耐72 h鹽霧，碳纖維、金屬、碳膜耐24 h鹽霧，碳納米管不耐鹽霧并直接產生氧化現象。

2.6 耐洗滌性能分析

針對碳納米管和柔性厚膜技術產品進行耐洗滌性能分析，結果見表6。

表6 耐洗滌性能測試結果

通過測試結果可見，碳納米管馬甲經過6次水洗后，紫燈閃爍，已無法開機；柔性厚膜經過36次水洗后仍能正常工作。

2.7 耐彎折性能分析

使用彎折測試儀折疊角度為178°進行彎折，記錄折疊次數。耐彎折性能測試結果見表7。

表7 耐彎折性能測試結果

通過測試結果可見，柔性厚膜比碳納米管較易折疊，這說明柔性厚膜較柔軟，其他發熱技術相對不夠柔軟。

2.8 靜電放電抗擾度性能分析

靜電放電抗擾度測試過程示意圖見圖5。

圖5 抗靜電測試過程示意圖

靜電放電抗擾度性能測試結果見表8。

表8 靜電放電抗擾度性能測試結果

通過測試結果可知，柔性厚膜系統在8 kV空氣放電試驗環境時各項性能指標處于正常工作階段，仍能有效避免靜電沖擊，在高電壓時加熱系統沒有失靈異常，處于正常穩定工作狀態。其他加熱系統承受靜電沖擊性能相對較弱。

2.9 防進水試驗

防進水測試試驗結果見表9。

表9 防進水等級測試結果

通過分析可知，碳纖維和碳納米管加熱系統沒有防水性，金屬和碳膜防水等級是7，表示產品放置于1 m水深，浸泡3 min環境中，經測試能正常使用，不受影響。柔性厚膜防水等級是IPX8，表示電器無限期沉沒在水壓下，可確保不因浸水而造成損壞。這證明了本文組合設計的加熱系統具有較好的嚴密性。

2.10 恒溫性能分析

對碳納米管馬甲、柔性厚膜馬甲進行恒溫性能測試，碳納米管馬甲達到設置溫度后會自動關機，只有在恒流源不斷電輸出或永遠不達到設定溫度狀態時才能保持不自動關機。

3 結論與分析

（1）通過測試發現，柔性厚膜的遠紅外性能、耐溫性、抗電強度、交變鹽霧性能、耐洗滌性能、耐彎折性能、靜電放電抗擾度性能、防進水和溫度恒溫性能均優于其他4種發熱系統。

（2）柔性厚膜導熱性能次于碳纖維，分析其原因有可能是熱傳遞效率的影響。3種影響因素為漿料的顆粒結構、材料特性的極限、添加導熱系數高的材料或更換高導熱薄膜。

關于漿料的顆粒結構影響，熱流熱傳遞方式主要以熱交換形式進行，而進行方式更多采用接觸后熱傳遞方式為主。在漿料顆粒中，球狀的粉體接觸面積明顯比片式少。球狀粉體中每個顆粒直接連接的接觸熱傳遞也會相對更低，沒有辦法實現高導熱效果，而且顆粒的均勻度不一也會使得導熱性能下降。通過采用添加片式粉體，增加每個球體粉體之間的接觸面積，可提高導熱傳遞效率。

關于材料特性的極限影響，不同材料的導熱系數有一個極限，所以需要突破導熱性能的界限，通過添加導熱系數高的材料來提高目標材料的導熱系數。在添加過程中可能會影響材料的附著力，在特定比例的添加中，選用了石墨烯粉體來增加材料的導熱性能以提高導熱系數。

關于添加導熱系數高的材料或更換高導熱薄膜，在無法結合材料直接調整的情況下，可增加多一層獨立的導熱材料如石墨烯薄膜替代原來薄膜材料。