本文深入探讨了碳基柔性电加热元件在全球范围内的最新研究动态，不仅涵盖了其独特的加热机制，还详细分析了石墨烯、碳纳米管和碳纤维等关键碳材料的特性及其在电加热元件中的应用。文章进一步阐述了这些高性能材料的制备技术，包括化学气相沉积、电弧放电和溶液纺丝等先进方法，以及它们如何被集成到柔性电加热元件中。此外，本文还探讨了这些元件在多个领域的实际应用前景，特别是在防寒保暖和医疗保健领域，展示了它们如何通过精确的温度控制和优异的生物兼容性来提升用户体验和治疗效果。通过对这些前沿技术的综述，本文为读者提供了一个全面的视角，以理解碳基柔性电加热元件的发展潜力和未来的研究方向。
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背景概述
在抵御寒冷的漫长岁月里，人们依赖于层层叠叠的衣物，但这些笨重的装备限制了我们的行动自由，并增加了身体的负担。幸运的是，随着电子技术和材料科学的飞速进步，科学家们已经开发出了一种革命性的解决方案：柔性电加热元件。这些高科技组件被巧妙地融入服装之中，为我们提供了一个温暖而稳定的微气候环境。 在制造这些柔性电加热元件时，主要使用的导电材料包括金属、导电聚合物和碳材料。尽管金属丝和金属纳米材料存在发热不均和成本高昂的问题，导电聚合物的导电性能也常常不尽人意，但碳材料以其卓越的热导率、电导率、化学稳定性、热稳定性和轻质特性脱颖而出。自1999年以来，Web of Science数据库收录了数百篇相关论文，其中42%聚焦于碳基柔性电加热元件。特别是在过去的十年里，这一领域受到了极大的关注。如今，市场上已经出现了采用石墨烯和碳纤维制成的电加热服装等产品。研究人员正在通过涂层、织造和缝纫等多种方法将碳材料与柔性基底材料结合，以期开发出性能卓越的碳基柔性电加热元件。
文章综述近年来国内外碳基柔性电加热元件的研究进展，总结碳基柔性电加热元件的加热机理、常用碳材料、制备方法，最后介绍了碳基柔性电加热元件在防寒保暖、医疗保健和体育运动领域中的应用。
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加热机理
探索加热服装的未来，我们发现一系列创新技术正引领潮流，包括太阳能、电能、化学能、相变材料和流体加热。在这些技术中，电加热以其环保、高效和温度可控性脱颖而出，成为市场的宠儿。柔性电加热元件的工作原理基于焦耳效应，即电子在电场作用下移动并与声子碰撞，将能量传递给导体，从而提升温度。我们追求的目标是低电压、理想的稳态温度、快速响应和安全性。 这些元件的加热性能与电阻、尺寸和电压紧密相关。简而言之，在相同条件下，元件的电阻越低，能够达到的稳态温度越高；施加的电压越大，稳态温度也越高。Liu等人深入研究了各向异性柔性加热材料的传热机制，并得出了表面最大平衡温度的公式，表明通过调整电压可以精确控制稳态温度。重要的是，在相同功率下，电阻越小意味着所需的电压越低，这对于实际应用至关重要。设计时还需考虑热传导、对流、材料结构和隔热性等因素。例如，具有反射表面和多孔结构的纤维和织物可以与加热材料结合使用，以最大化产热效率并减少热量损失。
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碳基柔性电加热元件常用碳材料
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导电材料构成了柔性电加热元件的心脏。在众多研究中，碳纳米管（CNT）和石墨烯以其卓越的性能脱颖而出，成为近20年来的研究焦点，分别占据了40.35%和35.09%的比重。它们不仅引领了碳基柔性电加热元件的发展潮流，还激发了对碳纤维、炭黑、石墨等其他碳材料的研究兴趣。这些材料的独特性能为电加热元件的创新设计和应用提供了无限可能。
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石墨烯和碳纳米管
碳纳米管（CNT）和石墨烯以其卓越的导电、导热性能和柔韧性，成为制造碳基柔性电加热元件的首选材料。通过化学气相沉积或卷对卷技术，我们能够生产出石墨烯加热薄膜；同时，通过浸涂或喷涂工艺，将石墨烯均匀覆盖在柔性基底上，进而制造出高性能的柔性电加热元件。在以还原氧化石墨烯（rGO）为导电材料的元件中，通常需要采用化学还原方法将氧化石墨烯（GO）转化为rGO。此外，科学家们还开发出了具有较大比表面积和可调化学性质的rGO薄片，这些薄片可以通过涂层技术进一步增强柔性基底的性能。展望未来，石墨烯加热纸有望成为柔性电加热元件领域的新星。
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碳纤维
传统的金属丝线电加热元件常因易断裂、加热不均和寿命短暂而受到诟病。相比之下，碳纤维以其轻盈、柔韧、耐高温和卓越的抗拉强度脱颖而出。这种高性能纤维制成的柔性电加热元件不仅升温快、热效率惊人、耐用性强，还能释放远红外线，带来健康理疗的额外益处。Yang深入剖析了碳纤维加热材料的属性、分类及能源供给，并结合实际案例，阐释了碳纤维加热服装的关键工艺、散热机制和设计理念。除了通过机织技术制造碳纤维加热织物外，还可以将碳纤维与其它纤维和导电材料融合，创造出具有发热功能的碳纤维纸。汤龙其等人在这种纸上通过气相聚合技术合成聚吡咯，得到的聚吡咯/碳纤维纸复合材料电阻率低至0.139 Ω·cm，在10V电压下表面温度能从28.1℃升至54.6℃，且经过60小时的连续使用后，电阻变化率低于6.3%。
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炭黑和石墨
炭黑因其成本效益高而成为制造碳/聚合物基电热复合材料的首选导电碳填料。这种材料不仅单独使用效果显著，还能与石墨烯等先进碳材料混合，以提升性能。在制备过程中，炭黑可以被加工成导电溶液或油墨，通过刮涂和丝网印刷等技术直接应用于织物、纱线或薄膜等柔性基底上，形成高效的碳基柔性电加热元件。Xiao 等人的研究进一步展示了炭黑的应用潜力：他们利用Super-P（SP）纳米粒子作为导电填料，配合热塑性聚氨酯（TPU）作为聚合物基体，制备出一种导电浆料。这种浆料被刮涂在PET膜上后，得到的柔性加热薄膜不仅结构稳定、响应迅速，而且具有出色的电热转换效率。SP纳米粒子构成的导电网络能够迅速将输入的电能转换为热能，使得薄膜的电阻率低至25 Ω/sq，在10V电压下仅需2分钟即可升温至约50℃，显示出其在快速加热应用中的潜力。
石墨，这种自然界中常见的碳质材料，因其卓越的导电、导热和耐高温特性，在工业和科技领域扮演着重要角色。特别是在电加热器领域，石墨的应用已经相当成熟。然而，将石墨的这些特性进一步发挥，用于开发柔性电加热元件的研究却相对较少。最近，日本研究人员在这方面取得了突破性进展。他们采用商业粘合剂将石墨粉末印刷在棉、尼龙、涤纶等不同材质的织物上，成功制造出了柔性加热织物。实验结果显示，在100伏电压下，涤纶加热织物经过1小时的通电后，表面温度仅达到40摄氏度。这一成果不仅拓宽了石墨的应用范围，也为未来柔性电子设备的设计与制造提供了新的思路和材料选择。
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其他碳材料
除了 CNT、石墨烯、碳纤维、炭黑和石墨这几种常用碳材料，碳海绵、电弧离子镀碳基涂层等也应用于碳基柔性电加热元件。
探索创新材料的边界，我们自豪地呈现一种革命性的碳海绵/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料。这种复合材料以其卓越的导电性能和热管理能力脱颖而出，仅需15V电压，短短10分钟内即可将温度提升至舒适的45℃，使其成为热疗的理想选择。此外，Wang等人采用尖端的电弧离子镀技术，在玻璃纤维织物上精心制备了碳基涂层。通过精确控制C2H2流速和沉积时间，他们成功实现了6.8Ω的低电阻，使得该涂层在4V电压下能够迅速升温至约56℃。这些突破性的成果不仅展示了材料科学的潜力，也为未来的热管理解决方案铺平了道路。4
碳基柔性电加热元件的制备方法
探索柔性加热织物的世界，我们面临的一个关键挑战是如何巧妙地融合加热功能，同时保持织物的原始特性——结构、强度、透气性和可洗性。涂层技术以其无与伦比的优势脱颖而出，它允许几乎所有类型的织物作为基底，无需额外的织造或编织步骤。这种方法不仅保持了织物的柔软性和韧性，还赋予了其新的加热特性。在制造碳基柔性电加热元件时，常用的涂层技术包括浸渍法、喷涂法、刮涂法和丝网印刷法等，这些方法共同推动了柔性加热织物技术的进步。
浸渍法以其简便性和成本效益而脱颖而出，无需依赖昂贵复杂的设备即可操作。通过巧妙调整浸渍液的浓度、时间、次数以及干燥条件，可以精确定制出最佳的工艺参数。尽管这种方法通常需要多次重复浸渍和连续处理以达到理想的负载量，并增强导电涂层的附着力，但过多的浸渍/干燥循环不仅耗时，还可能难以保证涂层的均匀性，进而影响其发热性能。Kim等人的研究中，他们利用浸渍法制备了一种导电芳纶织物。通过将芳纶织物在石墨烯/水性聚氨酯（WPU）复合溶液中反复浸渍并进行热压处理，显著提升了织物的导电性能。经过5次浸涂和140℃的热压处理后，该织物在50V电压下仅需20分钟即可将表面温度提升至54.8℃。
喷涂技术以其简便的操作和高效的涂层均匀性脱颖而出，通过精细调整喷雾枪的压力、流量、距离、喷涂次数和溶液浓度等参数，能够优化加热元件的制备工艺。然而，这种方法也存在液体损耗较大和可能对环境及人体健康造成影响的问题。Tian等人通过在棉织物表面连续喷涂石墨烯/聚氨酯浆料和氧化石墨烯溶液，成功开发出三层结构的加热织物。其中，氧化石墨烯层显著提升了加热性能，使得该织物在12V电压下仅需2分钟即可升温至162.6℃，其加热效率远超传统石墨烯/聚氨酯导电棉织物。
刮涂法适用于轻薄涂层，涂层厚度受涂覆速率、刀口与基底间距、溶液浓度等因素影响。该方法原材料利用率高，可与卷对卷加工技术结合，有望实现连续化、规模化生产，但用刮涂法制备大面积元件时薄膜不太均匀。Kim 等采用刮涂法将石墨烯/WPU 复合溶液涂覆在涤纶织物表面，然后对涂层织物进行热退火处理，当石墨烯质量分数为 16%时，制备的涤纶加热织物在 50 V 电压下 30 min 内可升温至 71.3 ℃，而且具有类似人造皮革的韧性。
丝网印刷法具有简单通用、成本低和可规模化生产等优点，可以将导电图案直接印刷在柔性基底表面。涂层的性能主要受印刷工艺参数、导电油墨、印刷图案和基底的影响。Filipowska 等[37]采用丝网印刷法在棉织物和涤纶织物表面印刷 CNT 导电油墨，探讨了不同导电图案、线长和线宽对织物导电性能的影响。
涂层方法
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织造、缝纫
通过织机、缝纫机将导电发热纤维或纱线织入织物，可以赋予织物电加热性能。常见的碳基纤维包括碳纤维、石墨烯纤维和 CNT 纤维，其中碳纤维的应用较为广泛。崔志英等[38]以涤纶为经纱，以石墨烯纤维和玻璃纤维为纬纱，制备出一种石墨烯加热织物，将该加热织物集成于服装中，在-5 ℃的低温条件下仍能保持良好的舒适感。除了利用碳基纤维和其他纤维共同织造加热织物外，还可利用碳基纤维织造全碳基纤维织物，但利用纺织技术自动化地制备全碳基纤维织物仍是一个巨大的挑战。Luo 等[39]的研究解决了这一问题，他们采用浮动催化剂化学气相沉积法制备 CNT 纤维，并通过全自动纬编针织机成功地织造出柔性好、重量轻、机械强度高、导电导热性能优良的全 CNT 纤维加热织物。
此外，还可以通过浸渍等方法，将碳材料与普通的纺织纤维或纱线结合制备导电纤维或纱线，再利用导电纤维或纱线制备柔性加热织物。Lima 等采用超声波辅助浸渍法将 CNT 掺入棉纱，然后在棉纱表面界面聚合聚吡咯，制得的导电棉纱电导率达到 10.44 S/cm，在 3.5 V 电压下 1 min 内可升温至 75 ℃，将该导电棉纱缝纫在手套的手指部位可以制作电加热手套。
目前，采用织造、缝纫的方法制备碳基柔性电加热元件，对碳基导电纤维或纱线的导电性、柔性和耐久性要求较高，制备工艺和材料性能的改进空间较大。
真空过滤法和碳化法较少使用，但为碳基柔性电加热元件的探索与发展提供了新思路。真空过滤法或抽滤法的固液分离速度和效率较高，可以将石墨烯等碳材料沉积在柔性基底上。Wang 等通过抽滤使GO水溶液渗透到 PET 织物中，再经过化学还原得到多功能的 rGO/PET 织物。当 GO 质量浓度为2g/L时，rGO/PET 织物的方阻低至 50 Ω/sq，在6V电压下3s内即可达到稳态温度约 50℃，经100次弯曲/释放和10次折叠/释放循环后仍具有良好的导电性。碳化工艺可以将不导电的纤维素等材料转化为导电的碳化材料，在惰性气体环境下高温碳化现成的织物，将其作为导电碳材料为碳基柔性电加热元件的制备提供了新思路，但碳化材料易粉末化且强力较差，后续必须进行处理才能发挥其应用价值。此外，化学气相沉积、静电层层自组装等方法也被应用于制备碳基柔性电加热元件。
其他方法
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柔性电加热元件的应用
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防寒保暖
在凛冽的冬日或任何低温环境中，将柔性电加热元件巧妙融入日常服饰，能够针对性地为身体特定部位提供温暖，显著提升穿着者的热舒适性。市场上已经涌现了各种电加热产品，如电加热马甲、手套等，以满足不同部位的保暖需求。Ahn团队通过在棉手套的手指和手背部位喷涂银纳米线（AgNW）和碳纳米管（CNT）的纳米复合材料，并用铜电极连接后以Ecoflex封装，成功制作出一款电加热手套。Ma团队则采用碳纤维和橡胶研制出一种复合电加热元件，适用于制作电加热服装、护膝和鞋垫等多种产品。在使用这些电加热服饰时，我们还需考虑电力供应问题，并在节约电力与减少不适感之间找到最佳平衡点，以实现人体热舒适性的最大化。
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医疗保健
探索热疗法的创新领域，我们发现了一种革命性的理疗方式——柔性电加热元件。这些轻薄、柔软的设备不仅佩戴舒适，还能均匀地向皮肤传递温暖，维持体温并促进血液循环，加速伤口愈合，并减轻关节疼痛。张颖利用石墨烯/莫代尔混纺织物，创造了一款颈部热敷护颈带，配备12V锂电池和微型温控器，精准控制温度。此外，Xiao等研发的TPU/SP复合柔性加热薄膜与热变色油墨结合的腕带，通过图案颜色变化直观监测温度。更令人兴奋的是，碳纤维、石墨烯等碳材料的远红外发射特性，为电加热产品带来额外的理疗效果。
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体育运动
在体育竞技的舞台上，运动员们深知热身的重要性。它不仅能调整他们的运动状态，预防伤害，甚至还能提升表现。关键在于热身能够提高肌肉温度，从而激活身体的竞技潜能。一项研究揭示了电加热技术在游泳训练中的神奇效果：游泳运动员在热身后30分钟内穿上电加热夹克，竟能显著提升上半身力量，男性运动员的50米自由泳成绩因此提高了1.01%。而在潜水领域，配备电加热元件的潜水服不仅提升了潜水者的舒适度，还能有效预防因水温过低引起的颤抖和抽筋，延长水下作业时间。对于冰雪运动来说，低温环境对运动员的身体和表现构成了双重挑战。但有了电加热产品的加持，运动员们有望抵御寒冷的侵袭，保持最佳状态。 这些发现不仅为运动员提供了新的训练工具，也为运动科学领域带来了新的研究方向。随着科技的进步，我们有理由相信，未来会有更多创新技术被应用到体育训练和比赛中，帮助运动员们突破极限，创造佳绩。
