石墨烯碳納米管散熱涂料技術

發(fā)布時間：2022-01-05

(1)項目背景碳材料是目前人類認知的材料中功能最全、性能最優(yōu)越、形式最多樣的材料，是目前所有已知劃時代材料所有不能比擬的，繼硅時代之后21世紀甚至有望成為碳材料時代。尤其是納米碳材料豐富的形態(tài)，涵蓋從零維、- -維到二維結構，每一次納米碳材料的出現(xiàn)都引領了納米科技的快速發(fā)展。其中，碳納米管可看成是一-種石墨片卷曲結構，超強的C-C鍵使碳納米管具有超強的力學性能和熱傳導性能，理論計算和實際測量表明，單壁碳納米管拉伸強度可達150GPa,彈性模量1TPa,是鋼鐵的100倍，密度卻只有其1/6，被譽為終極碳纖維。同時單壁碳納米管室溫導熱系數(shù)高達6000W/m.K，多壁碳納米管的室溫導熱系數(shù)也達3000W/m.K,是熱導率最高的材料。同時，碳納米管比表面積大,被譽為世界上最黑的物質(zhì)，這種物質(zhì)對光線的折射率只有0.045%，吸收率高達99.5%以.上，輻射系數(shù)接近絕對黑體的1.0。另外還具有優(yōu)異的導電性能和超高的載流子輸送密度，導電率接近金屬，載流能力超過金屬銅。眾多優(yōu)異綜合性能使碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來受到極大關注，是納米材料和納米技術的最典型代表,是散熱涂料和復合材料最理想的功能填料。

實際上，碳納米管功能涂料往往同時具有.上述性能優(yōu)點，其多功能性是目前任何涂料產(chǎn)品所不能比擬的，將有望極大改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)產(chǎn)品的認識和使用習慣。基于此，本項目將在前期研究工作的基礎上，開展碳納米管散熱涂料、電熱涂料和防腐涂料產(chǎn)業(yè)化建設，推出系列化碳納米管功能涂料產(chǎn)品，開發(fā)新型應用市場，創(chuàng)造規(guī)模化效益。

(2)項目建設的必要性隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對高性能散熱技術的需求與日俱增。熱量交換的方式主要有三種:傳導、對流和輻射。解決好散熱的問題，要從兩個方面入手，一是熱源-系統(tǒng)中不斷產(chǎn)生熱量并向周圍傳遞熱量物體，熱源的產(chǎn)生的熱量要散熱交換走，目前國內(nèi)外所采用的散熱材料基本上都是靠增加材料的導熱系數(shù)加強熱量傳導，依賴周圍的介質(zhì)對流來散熱交換熱量，這樣的弊端是熱量交換的區(qū)域很小，如果是相對封閉的空間，對流不是很好，熱量交換效果就非常差。二是加快通風散熱交換熱量，這樣在大部分的空間上是不現(xiàn)實，通風就會產(chǎn)生噪音、舒服度上大打折購。如果現(xiàn)在不改變其他情況下，提高熱源的熱交換量，通過熱紅外輻射散熱是最有效的解決途徑。輻射散熱可以不受熱源周圍介質(zhì)影響，只要熱源溫度超過零度，熱源就要往外輻射熱量。但是單純靠熱源本身的熱量輻射量來說是非常小的，不能很好解決熱源散熱交換熱量，增加熱源紅外線輻射量能很好地解決熱源熱交換的難題。基于此，紅外輻射散熱涂料.顯示出極大的市場價值，極大推動資源節(jié)約型社會建設，具有重大經(jīng)濟和社會意義。

首先，紅外輻射散熱涂料可以滿足狹小空間無法使用強制對流散熱的領域，如果電子設備、熱交換器、散熱器，大大提高熱交換效率，改善電子器件、電機和熱機等關鍵設備運行環(huán)境。以LED為例，目前LED轉換效率約20%電轉光和80%電轉熱，電轉光的轉換效率還有很大提升空間，這有賴于器件的高效散熱技術。如果LED單元提升為更高亮度，將可大大減少設備中LED單元數(shù)量，降低能耗，降低成本，且散熱效果更佳，形成良性循環(huán)，對于節(jié)能減排政策具有重大貢獻。

第二，在傳統(tǒng)散熱器往往是刺片結構的鋁或銅，自重大，加工成本高。雖然銅和鋁本身的熱導率很高，但是其熱輻射率卻很低。拋光銅和鋁的輻射率只、有0.05，即使通過陽極氧化處理之后也不高于0.6，紅外輻射散熱效率很低。且陽極氧化處理工藝涉及重大環(huán)境污染，已被列入限制發(fā)展行業(yè)，尋求替代技術顯得越來越迫切。采用紅外輻射涂料能夠使熱交換器輻射率提高至0.9以上，大大提高熱交換效率。基于此，可進- -步降低散熱器材料使用量，簡化散熱器結構，減低能耗，節(jié)約成本。項目組前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用散熱涂料之后可使家電空調(diào)鋁散熱器溫度降低10度，同等鋁材用量下降25%，具有重大市場價值。此外還可延伸至機電設備熱交換器、暖通設備、熱機設備中，具有廣闊的市場前景。

第三，新型納米散熱涂料同時也是一-種優(yōu)異的電熱涂料，且結合了優(yōu)異的紅外輻射特性，具有發(fā)熱率高，節(jié)能環(huán)保的顯著優(yōu)勢。且不受任何外形尺寸限制，施工方便，是目前傳統(tǒng)電阻加熱模式所無法比擬的。以目前取暖設施為例，不管采用金屬電阻絲或者碳纖維發(fā)熱體，均需要復雜布線，且一旦損壞幾乎無法修復。電熱涂料的使用幾乎不受任何空間影響，可大面積涂布，即使部分區(qū)域受損，整體性能依然不受影響，其成本也僅有電阻加熱體的1/3。更重要的是，具有紅外輻射功能特性的電熱涂料發(fā)熱效率將大大高于電阻加熱，且人體舒適感更顯著。電熱涂料的使用將大大降低能耗(降低25%能耗)，提高能源利用率，降低成本。隨著人們生活水平提高，我國南方冬季家庭采暖設施將逐漸普及，由于沒有集中供暖的公共設施，為電熱涂料的普及使用敞開了巨大市場空間。目前電熱取暖涂料加工的地暖技術已經(jīng)韓國、日本已逐漸普及，我國在未來幾年中也將迎來快速發(fā)展的局面，抓住市場機遇具有重要緊迫性。同時，電熱涂料在寒冷地帶保溫取暖也具有要中應用價值，如野外電力設備、通訊基站等，采用低能耗的發(fā)熱技術將有利于設備的長期運行。

由此可見，紅外輻射、電熱涂料誘人的市場商機已經(jīng)現(xiàn)象，其規(guī)模化應用將極大改變?nèi)藗兊纳罘绞剑枪?jié)能減排，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要支撐材料，對工業(yè)技術變革和民生工程建設具有重大促進作用。

納米散熱涂料系列產(chǎn)品本產(chǎn)品利用碳納米管超高的導熱率和紅外輻射系數(shù)的特性性質(zhì)，基于中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所多年研究和實踐積累，成功開發(fā)了新型紅外輻射散熱涂料，具有熱導率高、紅外輻射率高的特點，并可根據(jù)客戶要求開發(fā)及調(diào)整涂料性能，可廣泛應用于各種散熱領域。