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  基于焦耳效應(yīng)的電發(fā)熱器因其在可穿戴設(shè)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(dāng)施加電壓時(shí)，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(yīng)及良好的熱穩(wěn)定性和物理機(jī)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(yīng)和復(fù)雜的制備工藝等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了在柔性可穿戴設(shè)備和高性能加熱系統(tǒng)中的應(yīng)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(dǎo)電功能填料制備柔性透明電熱膜成為最近的研究熱點(diǎn)。然而，目前柔性電熱膜通常以熱穩(wěn)定性和力學(xué)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(dòng)電壓高、發(fā)熱溫度低（通常低于100℃）和力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，難以滿足航空航天、軍事工程等高性能加熱系統(tǒng)中的應(yīng)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(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于高強(qiáng)耐熱芳綸納米纖維（ANFs）和高導(dǎo)電銀納米線（AgNWs）的快速響應(yīng)高溫柔性電熱膜。所得ANF/AgNW納米復(fù)合電熱膜中，ANFs和AgNWs分別作為高性能基體和高效導(dǎo)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(yīng)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(dá)200°C，獲得穩(wěn)定發(fā)熱溫度的響應(yīng)時(shí)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(xué)性能。當(dāng)AgNW面密度為0.4g/m²時(shí)拉伸強(qiáng)度和模量分別達(dá)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(duì)AgNWs具有保護(hù)作用，使柔性電熱膜在空氣中長時(shí)間發(fā)熱、反復(fù)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(xiàng)工作為柔性、高性能電熱膜的設(shè)計(jì)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(shè)備、人工智能和高性能加熱設(shè)備等新興領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

圖1 ANF/AgNW納米復(fù)合電熱膜的制備示意圖及斷面形貌

圖2 ANF/AgNW納米復(fù)合電熱膜的電學(xué)、力學(xué)和發(fā)熱性能

圖3 柔性ANF/AgNW納米復(fù)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(gè)人熱管理中的應(yīng)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(xué)為論文的第一完成單位，陜西科技大學(xué)馬忠雷副教授為第一作者兼通訊作者，陜西科技大學(xué)馬建中教授、西北工業(yè)大學(xué)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(xué)基金（51773169）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2018JQ5060；2018JM5001）和陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)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