基于碳纳米粒子的电热构件，其性能让科学家们赞不绝口！
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碳纳米的几何、电学、热学、化学和机械性能在世界范围内都引起了研究者的关注。 CNPs由于其低成本、高性能和突出的内在特性，在各个领域得到了广泛的应用。虽然CNPs主要作为晶体管和传感器进行研究，但它们也可以被认为是热产生器。然而，这种选择很少被研究过。 本研究采用电弧放电法在碳质介质(高密度聚乙烯)中合成了cnp基电热砌块，并对其性能进行了研究。 此外，研究人员还分析了两个背对背肖特基二极管的形成，并报道了它们作为cnp基电热元件的应用。
相关论文以题为“ Carbon Nanoparticle-Based Electro-Thermal Building Block ”发表在《 Applied Sciences 》上。
实验背景
碳纳米颗粒(CNPs)由于其优异的电学、力学和光学性能，在锂离子电池、晶体管、二极管、逻辑门、传感器和场发射体制造等领域都有广泛应用，引起了研究人员的广泛关注。 另一方面，CNP复合材料因其物理、化学、特别是电学性能而闻名，但这些材料产生的热量是设备的限制因素。然而，作为一种电热元件，它们的热效应在聚合物基体内以CNP和高密度聚乙烯(HDPE)互连网络的形式存在，这方面的研究很少。值得注意的是，cnp加热元件具有重量轻、清洁能源生产、无副产物排放、可控性好、生产成本低等优点，具有巨大的工业设备潜力。例如，单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜在玻璃涂层下的热容量随时间和输入功率的变化，表明其具有快速的热反应和稳定的可逆性。此外，多壁碳纳米管(MWCNTs)可以作为温度传感器，这是由独立的MWCNT薄膜的电阻与温度的研究揭示的。
此外，研究人员通过对导电MWCNT/聚合物复合材料的电学性能的表征，将其用作应变传感器。 此外，在聚合物复合材料中，碳纳米管(CNTs)作为导电填充材料，可作为加热元件或传感器用于控制复合材料的温度。此外，一些研究报道了纳米颗粒如碳纳米管、石墨烯和银纳米线在柔性透明薄膜加热器中的应用。
实验目的
研究人员测试了电热加热对CNT/聚合物复合材料的影响，结果表明，与空气对流加热相比，电热加热CNT/聚合物复合材料的热降解更大。 此外，他们还报道了聚合物复合材料中的CNT比是一个重要的影响因素，表明CNT比越高，电导率越高。由于电热装置的性能可以通过其电阻率(V-I特性的斜率)来模拟，即电能转换为热能，因此，本报告重点讨论电流-电压(I-V)特性分析。因此，电流决定了热能的数量和热量的产生，而热能也可以通过控制CNP电阻来控制。因此，使用不同电极检测不同样品以及改变电极之间的距离引起了对温度依赖性CNP网络的研究。 本研究采用电弧放电法在碳介质(高密度聚乙烯)中合成了CNPs，并探索了以预制CNPs作为电热砌块的制热方法。
实验框架
在本研究中，CNPs是通过使用脉冲高压逆变器的脉冲电弧放电方法获得的，如图1所示。为了将HDPE温度提高到熔点，它被放在加热器顶部的石英管中，下一步是用信号发生器和示波器测量I-V特性。最后，研究人员研究了非接触式温度计在CNPs上的直流电压传递热的存在性。
图1.实验装置的原理图展示。
在这种方法中，研究人员使用两根0.5毫米直径的尖棒(钢棒或2毫米直径的石墨棒)作为电极，面对面地放置在碳源(HDPE)内，如图2所示。高密度聚乙烯聚合物被加热到其熔点，这提供了火花路径内的碳聚合物，正被用作碳源。
图2.真实的设备(顶部)和它的原理图表示(底部)。
聚合物熔解时高压系统在两个电极之间产生数千伏的电势，导致石英腔内产生等离子体和HDPE碳源的电离。 因此，通过破坏聚合物的分子键和分离碳原子，碳离子在两个电极的尖端聚集并增长，直到它们连接在一起，这一过程导致CNP的产生。因此，就形成了一个完整的电路，因此电荷就能流动。值得注意的是，所有的测量都是在环境条件下(温度= 300 K，压力= 1 atm)进行的。此外，制备的纳米颗粒被hdpe -聚合物复合材料包围，这使得制备的器件更加稳定，并增加了结构的强度[23,24]。这种结构被称为金属-半导体-金属(MSM)结构，带有两个背对背肖特基二极管。研究人员的样品主要由多壁碳纳米管(MWCNTs)组成，此前研究人员的团队在几次分析中报道了这些CNTs具有纳米级的尺寸。此外，如图3a所示，扫描电子显微镜(SEM)识别出手指形状的定性表面形态，在聚焦部分，发现了几百纳米大小的圆柱形纳米颗粒的存在(图3b)。
图3.扫描电镜(a)大块纳米颗粒链和(b)放大(a)标记区域的图像，显示在合成链的核心存在圆柱形纳米颗粒。
从SEM图像可以看出，与W. Ding等人报道的复合材料相似，多余的MWCNTs被HDPE链覆盖。此外，对制备的CNPs进行纳米聚焦成像，如图4所示，从而得到估计的颗粒尺寸。
图4.碳链表面的纳米焦点图像(左)和纳米碳颗粒(CNP)表面的随机插图。右边的图像显示了在表面上相距10到231微米的点的位置。
如图4所示(高分辨率见附录B)，在碳链表面，最小点和最大值点之间的距离约为240微米，根据SEM图像，也可以作为CNP长度指示器。 表面分析表明，由于钢绞线结构被聚合物网络覆盖，且钢绞线在典型电热元件应用中是稳定的，因此钢绞线中存在大量的微裂纹，形成了一种机械精细的结构。
结论
具有工业和实验室应用的有效而准确的加热设备导致了新方法和新资源的利用，例如碳基材料。 CNP的低生产成本以及非凡的性能，建议将其应用在设备开发过程中。因此，在这项研究中，引入了基于CNP的钢绞线结构作为加热构件。此外，针对合成样品分析了其不同的特征参数。此外，它在基本理论工作下的行为得到确认，并报告了可接受的协议。 此外，结果表明，通过增大施加的电压值，温度会随之升高。 因此，可以通过在基于CNP的加热元件上施加电压来控制温度变化。在工业加热元件中 建议使用一系列CNP网络，这会导致较高的温度上升。 由于基于CNP的电热组件在非常高的温度下几乎是稳定的结构，并且它们的制造方法便宜，因此它们可能会成为新一代的加热元件。
