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基于石墨烯薄膜的自发热路面融雪化冰研究

张宝强  
【摘要】:在我国冬季降雪频发的寒冷地区,每年都会导致高速公路、机场道路等交通基础设施频繁关闭停运,甚至引发大量的交通事故发生,不仅影响了交通设施的通畅运营,而且给人民的生命及财产安全带来严重威胁,并对国家、社会造成重大的经济损失。针对道路积雪结冰这一难题,很多国家的科学家都在积极探索和研究快速、有效清除道路冰雪的方法。目前,研究者们先后发展了人工和机械、化学融雪剂、新型热能、导电混凝土发热体等数种清除道路冰雪的方法。但是这些方法在环境污染、路面结构腐蚀、造价高昂、系统复杂以及性能退化等方面都存在或多或少的缺陷和不足,限制了这些方法大范围的应用。基于前人的研究基础,研究集经济、环保、便捷、高效、安全等特点于一体的新型融雪化冰技术,对解决当前路面积雪结冰难题,保障国民经济建设稳定有序的发展具有重要的实践意义。本文通过石墨烯导电薄膜构建新型自发热路面体系,并开展相关的发热特性和融雪化冰应用研究,主要开展以下几个方面的研究:(1)通过探索氧化石墨烯反应机理,调整相关的材料制备参数,并获得优化的制备工艺,最终得到快速、高效、宏量、可控的大片径(300μm)氧化石墨烯的制备方法,为制备高质量石墨烯导电薄膜提供前驱体原材料。(2)研究了基于玻璃为沉积基底的石墨烯薄膜制备方法,通过自组装-原位还原-自由转移的一体化工艺流程,得到了结构完整均一、性能稳定、易于转移封装的大尺度石墨烯薄膜的可控制备工艺。实验研究表明,石墨烯薄膜有高达12MPa的拉伸强度和良好的柔韧性,以及室温下20μm的薄膜超高导电率(6000S/m)。此外,石墨烯薄膜被证明具有优异的焦耳热效应、压阻稳定性、温阻特性以及热疲劳特性,作为一种优良的发热体,在融雪化冰研究中具有良好的表现和应用前景。(3)基于石墨烯薄膜的优异的焦耳热效应,将其作为独立高效热源体,构建了具有独立封装制造,统一装备集成特点的新型自发热路面系统。首先,通过传热学理论分析建立了发热路面热传导理论模型,分析了路面温度场和融雪化冰的影响因素,为实验研究提供了参数分析的理论依据。其次,研究了沥青路面的传热效率,考察了沥青路面的发热性能。最后,研究环境温度、热流密度等参数对融雪化冰所需时间和所耗能量的影响。(4)在室外构建石墨烯发热膜路面结构以及无热源对比路面结构的实验模型,通过实验室独立参数分析和原位对比,进行了该新型路面系统的融雪、抗雪实验测试,验证了该自发热路面在实际环境融雪应用中的适用性,测试结果表明基于石墨烯薄膜自发热路面在融雪和抗雪两方面具有高效、稳定、安全等优点。


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