一、研究背景

越来越多的科学家开始关注节能环保问题。传统的加热方法是燃烧化石燃料，如石油和煤，以获得热量；然而，这一过程不可避免地会产生有害物质（二氧化碳和固体废物），破坏环境。为了提高能源效率和减少环境污染，中国实施了大规模的“煤改电”政策。通过自主使用电加热设备，可以将电能转化为热能，从而有效减少环境污染，促进低碳社会的发展。传统的电热材料主要是金属基的。例如，Cu基和fe - cr - al基合金电热材料具有广泛的应用。但金属基电热材料成本高，热效率低，制备工艺复杂，易受酸碱腐蚀。相比之下，非金属基电热材料，如碳基电热材料，由于其重量轻，导热性和导电性好，电热效率高，已成为取代金属基电热材料的优秀候选者。碳基电热材料通常是通过将碳纳米颗粒如石墨烯、炭黑、碳纳米管（CNTs）或其他高导电性纳米颗粒填料分散到衬底中来制备的。近年来，石墨烯和碳纳米管作为主要填料受到了广泛关注，是碳材料领域的研究热点，其中石墨烯占40.35%，碳纳米管占35.09%。然而，在制备氧化石墨烯的过程中使用了几种化学品，会造成严重的爆炸危险和环境污染。

由于碳纳米管具有重量轻、高纵横比、大比表面积、高强度和模量、优异的导电性和导热性以及令人印象深刻的化学稳定性等独特特性，已成为电热元件的理想材料。CNTs按层数可分为单壁（SWCNT）和多壁（MWCNT）。由于碳纳米管之间具有很强的分子间作用力和化学惯性，难以分散，容易形成束或团簇，限制了其在电加热中的大规模应用。为了解决这一问题，需要对碳纳米管表面进行功能化，使其在不同溶液中均匀分布。羧基化的MWCNTs在不同溶剂中都是稳定的。以前已经将碳纳米管与聚合物衬底结合制备电热复合材料。例如，Yang等人将CNTs与芳纶纤维共混，实现了CNTs在复合材料中的均匀分布，电热材料的最高表面温度可达到203℃；然而，这个过程需要一个高输入电压。Xu等人使用化学气相沉积方法制备了碳纳米管薄膜，在2 V输入电压下，其最高表面温度达到206℃。但其制备工艺复杂，成本高，限制了其大规模应用。因此，有必要开发新的方法来生产具有高电热转换效率的大规模碳纳米管复合材料。

本研究提出的静电纺丝工艺并不严格依赖于添加大量具有高导电性颗粒的碳纳米管。它们易于操作，操作简单，适合大规模的实际应用。发现微量碳纳米管掺杂在衬底材料中形成有效的导电通路，使电流传输。氢键和π-π堆叠形成的多界面相互作用力结合在一起，形成了衬底材料的CNTs和碳纳米纤维（CNFs）之间的尺度/纳米尺度网络。这种组合不需要添加其他化学物质，也不需要对CNTs进行改性，从而显著节约了资源，避免了环境污染。根据前人的研究工作，分别在纳米碳纤维基体中加入碳粉和碳化钛，成功地增强了纳米碳纤维的电热性能。碳粉的引入有助于增加导电路径的数量，从而提高纤维的整体导电性；碳纳米纤维的导热性也得到了改善。该方法为进一步优化碳纳米纤维在电热应用中的性能提供了有力支撑，在智能发热材料领域显示出广阔的应用前景。通过在有机溶剂中均匀分布羟基化的MWCNTs，可以实现CNFs中羟基化MWCNTs的高分布。CNT/CNF复合材料具有优异的导电性。通过调节外部电压和CNTs的用量，可以直接控制表面温度。本研究的独特之处在于开发了一种低成本、环保、高效的静电纺丝方法，同时成功控制了微碳纳米管掺杂材料的高效电导率和电热性能，为未来的航空航天和高科技应用提供了创新的解决方案。

二、摘要

本研究通过静电纺丝设备制备了碳纳米管(CNT)/碳纳米纤维（CNF）复合电热膜，研究了碳纳米管含量和碳化温度对cnts /CNF复合薄膜电热性能的影响。实验结果表明，CNT/CNF复合电热膜的电导率（0.006 ~ 6.89 S/cm）直接受到碳纳米管含量和炭化温度的影响。CNT/CNF的电热性能与碳纳米管含量、炭化温度和施加电压呈正相关。CNT/CNF表面温度可控制在30-260℃，连续加热冷却100次无任何损耗。与空气的对流换热在0.008 ~ 31.75之间可控。辐射换热在0.29 ~ 1.92之间可控。制备的CNT/CNF传热效率高达94.5%，仅通过热对流和热辐射就能在3 min内融化1 cm厚的冰层。

三、结论

采用静电纺丝设备将碳纳米管巧妙地插入CNF的内表面。由于CNF优异的物理和化学性能，其导电性和电热性能可以进一步提高。CNT/CNF不需要很大的驱动电压，只需要一个安全电压（<36 V），具有显著的安全工作空间和无可比拟的电热转换效率。CNF含量和炭化温度直接影响CNT/CNF复合材料的电导率和电热性能。碳纳米管的含量和炭化温度可以调节以满足要求。CNT/CNF可以在闭环电路中驱动低压LED灯点亮，并且可以在很短的时间内除冰。

综上所述，制备的CNT/CNF在导电和电热方面具有优异的性能和广阔的应用前景。

图1.CNT/CNF合成示意图。

图2.(a) CNT/CNF-0, (b) CNT/CNF-3, (c) CNT/CNF-6和(d) CNT的SEM图像。