第2卷第4期2017年8月
Journal of Clothing Research
Vol.2 No. 4
Aug. 2017
黄旭，李双*，邢倩荷，吴兆鑫
(苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215131)
摘要：鉴于石墨烯薄膜优异的热力学性能，将石墨烯薄膜与传统服装材料相结合，设计并制作了 一种石墨烯薄膜发热服装模型。基于石墨烯薄膜温升理论，利用红外线热成像仪，对覆于石墨烯 薄膜之上的服装材料温度变化进行测试和分析，进而探讨了石墨烯薄膜在可穿戴设备（薄膜发热 性能）和音频声学（薄膜热声效应）两个领域的应用。
水貂笼关键词：石墨烯薄膜；热声效应；服装材料；温度；声压级
中图分类号:T S101 文献标志码：A文章编号=2096 -1928(2017)04 -0288 -06 Thermal Characteristics of Graphene Film and Its Application in
Garment Materials
HUANG Xu,LI Shuang* ,XING Qianhe,WU Zhaoxin
(School of Urban Rail Transportation,Soochow University,Suzhou 215131,China)
Abstract ：In view of the excellent thermodynamic properties of graphene films,a graphene film heating clothing model was designed and fabricated by combining graphene film with traditional clothing materials. Based on the theory of temperature rise of graphene film, the temperature change of the coating material on the graphene film is tested and analyzed using the advanced infrared thermal imager. T h e application of graphene film in two areas of wearable equipment (film heating performance)and audio acoustics (thin film thermoacoustic effect) were discussed.
Key words ：graphene film,thermoacoustic effect,clothing material,temperature,soundpressure level
随着科技与社会进步，服装早已突破其遮蔽、保暖和美饰等基本需求，正朝着智能化、功能化方 向发展[1]。智能服装是集电子、计算机、材料等于一 身的高新技术m，其不仅具备穿戴、保暖的功能，还 可利用软件与电路实现服装性能的控制。
石墨燦作为一'种新型纳米材料，具有尚迁移 率、高导热导电性、高机械强度等优异性能[3]。石墨 烯导热机理中的“电子”被认为是声子[4]。在石墨烯 薄膜两端施加交流电信号，薄膜表面产生交替性的 热量，使附近空气介质热胀冷缩，产生声音[5]。基于 石墨烯薄发热特性的服装，可同时满足发热和发声 的需求。
近年来，关于智能服装发热发声的研究成果层 出不穷。李峻等[6]将碳纤维作为导体材料应用于发 热服装中，该服装具有发热高效、安全、舒适等特 点。沈雷等[7]利用电路控制l e d灯闪烁，并通过电 路控制音乐播放，发明了具备发声发光的智能安全 服装。陈实[8]在保温面料与内衬之间放置多片小功 率发热体，利用移动电源进行驱动，从而完成了服 装的加热。杜敏芝等[9]发现经碳化处理的二氧化锰 石墨燦整理棉织物表现出了良好的电热和应力感 应性能。
文中对石墨烯薄膜热声原理进行了简述，基于 石墨烯薄膜温升理论，对覆以不同服装材料的石墨
收稿日期:2017 -05 -21；修订日期:2017 - 07 -25。
基金项目：国家自然科学基金项目（51375321)。
作者简介：黄旭（1992—），男，硕士研究生。
*通信作者：李双（1976—），男，教授，硕士生导师。主要研究方向为噪声与振动控制。E m a i l:lishuang@ suda. edu. cn
第4 _黄旭，等：石墨嫦薄膜的发热特性及在服装材料中的应用• 289 •
其中；为石墨烯薄膜声源输人功率0为薄膜表
面积汎为石墨烯薄膜单位面积的热散失率为周 围空气的热导率;&为声波波数为声波角频率; C s 为石墨烯薄膜单位面积热容(HCPUA )。
石墨烯薄膜系统经过长时间通电，对于每个不 同的输人功率级，在系统达到稳态时，薄膜表面平 均温度可表沄为
T =T a +
%
(6)
其中，r 。为薄膜初始温度为基底的导热系数; 为基底比热容咏为薄膜系统输人功率密度冲为声 音信号角频率。
1.3 石墨烯薄膜发热服装模型
文中设计制作的石墨浠薄膜智能发热服装模 型如图1所示。将服装材料覆于两端镀有银电极的 石墨烯薄膜之上i ，石墨烯薄膜需附着在绝热基底篇 面6在薄膜两端施加交流电，薄膜表面产生热_，该 热量经过热传导至人体体表完成加热功能。印刷电 路板PCB(Printed Circuit Board )较薄，.道乎通电导 线和薄膜电极连接，使导线与：电极完全接触，电路 畅通6由于绝缘基底和PCB 板的作用，热量不会向 外界传导。
图
1 石墨烯薄膜智能发热服装模型Fig. 1 Graphene film intelligent heating clothing model
2 石墨烯薄膜发热服装温度性能
研究
2.1 材料与仪器
2.1.1 材料实验所选取服装材料如图2所示， 服装面料具体参数苋表1。
(a )棉
烯薄膜，探究了服装材料表面温度与输人频率、输 人功率的关系以及材料表面瞬态温度响应与时间 的关系,，并对该模望进行了声压测试。基于这两方 面研究，验证了石墨烯薄膜发热服装的可行性。
1 石墨烯薄膜发热服装原理及模型
1.1 石墨烯薄膜热声原理
在热力学方面，石墨烯表现出了优异的性能。 从分子物理学的角度对单层的碳原子进行声子传
播模拟，得到石墨烯平均导热率6 000 W/(m • K )tM 。声子的传播有效地将物质内部的振动向外 扩散，传播的速度越快，表明物质的导热性能越好。 石墨烯的单层碳原子结构中碳原子的整齐排列，可 减少石墨烯中声子传播阻力，声子迅速传播使得石 墨烯的导热特性在很大程度土得到了提升；同时, 石墨烯的规整结构使得晶格的振动能够有规律地 向前传播并且产生谐振，这也是石墨烯导热性能良 好的另一重要原因。
由文献[11]可知，一般情况下，石墨烯薄膜自 身可视为定值电阻e 当在石墨烯薄膜施加交流电 时，对于石墨烯薄膜而實
U i n =
(1)
根据焦耳定律，此时薄膜产生的瞬时热功率为
应
=
(祕））2
i n ~ R ~
R
v ^
其中，t /in 为石墨烯薄膜两段输人交流电压;K 为交 流电压幅值冲为交流电压角频率#为通电时间;fi 为石墨烯薄膜电阻。
对式(2)进行数学变换，可得
Pin = ^~ ^
os (2co t )
(3)
式（3)中第2项f /^〇S (2«f )/2尺为声压能量来 源[7]，.其声信暑角频率为输人电信号的两倩《在声 学上，称之为“频率失真”。
此时，对于整个石墨浠薄膜热声系统而言，输 人热功率平均值为
式(4)中吋/狀为薄膜表面温度热能来源。12 石墨烯薄膜温升理论
当石墨烯薄膜两端施加交流电时，薄膜可视为
定值电阻，薄膜表面会产生热、量有文献[12]记 载，石墨烯薄膜瞬时表面温度公式为
I r (w ) I = ^[(p 0 + k K t )2 +(c 〇c s + k K t)2]-iA
(5)
>PCB 才
石墨烯薄膜智能发热服装模型
2
反
&
底
薄 基
嬾程控步进衰减器系统
• 290 •服装学报第2卷
(c)纤维I (d)纤维m
(e)羊毛I (f)羊毛D
图2 不同服装材料展示
Fig. 2 Different clothing material view
表1 服裝材料具体参数
Tab. 1 Clothing materials specific parameters
名称驗JP度关系导热系数
棉d,d3< dx< d40.071~ 0. 073
纤维I d2
保安对讲机纤维n d3d2< d3< d40.055~ 0•071
纤维皿
羊毛I 羊毛n d5
d6
d5< d60.052~ 0. 055
2.1.2 仪器 FLIR-A315型红外线热成像仪，美. 国菲力尔公司制造；AFG-2225型任意波信号发生器，
台湾固纬公司制造;GF-500W功率放大器，北京 测振仪器厂制造&面积为4 •4 cm2的基底石墨烯薄 膜，馨实测电阻值为1 836 II，如图3所示。
图3 石墨烯薄膜电阻
Fig. 3 Graphene film resistor 2.1.3方法将不同服装材料覆在石墨烯薄膜之 上，交流电優号1由信，•发器产生，通过功率放大 器，将电压幅值放大，施加在薄膜电极两端。利用红 外线热成像仪分别测定:①服装材料表面稳态温度 与输人频率关系;②服装材料表面稳态温度与输人 电压关系;③测试服装面料表面瞬态温度与时间关 系。实验装置连接如图4所示s
图4 实验装置连接示意
Fig. 4 Experimental device connection diagram
2.2 实验结果分析
2.2.1 服装材料表面温度与入频率关系为避免织物表面密度不均匀对温度所造成的影响，尽可 能保证所测数据准确，选取3个观测点，纵向均匀分 布在服装材料表面上，具体如图5所示。
图5 温度测点分布
Fig. 5 Temperature distribution
设定输入交流电压为30 V，改变输人电信号频 率1~ 8 kHz，对不同频率下的稳态温度进行测量。选取3个测点中温度最高点进行分析，实验结果如图6
数据加密网关
所示。
无覆盖棉纤维I 纤维n 纤维n r
羊毛I 羊毛n
50
100 150 200 250 300 350 400
通电时间t /s
⑻服装材料表面温度上升瞬态响应
无覆盖棉
纤维I 纤维n 纤维m 羊毛I 羊毛I
2.2.3 服装材料表面瞬态温度与时间关系研究服装材料表面瞬态温度与时间的关系，将服装材料 表面温度从通电开始到最后的稳定温度，及从稳定 温度断电到温度降低到初始值的过程记录下来。薄
膜输人电压[/ = 30 V ，输人信号频率1 kHz 。实验结 果如图8所示。
风光互补led路灯
1
2 3
4 5
6 7 8
输入频_z
图
6 服装材料表面温度与输入频率关系
Fig. 6 Relationship between surface material
temperature and input frequency 由图6可知，不同服装材料表面温度随输人频
率无明显变化。由于采用服装材料导热系数相差不 大，故材料厚度对温度影响明显^无覆盖的石墨烯 薄膜表面温度最高。纤维I
、纤维
II 、纤
维
m
厚度
逐渐增_加
（4 <；毛 < 毛）表面温度>
维.I I >『纤维I ；羊毛H 厚度大于羊毛I 〇5 <；心）， 在输人频率大于3 k H z 材料表面温度7^51 >
9棉材料表面温度低管其他材料。
2.2.2 服装材料表面温度与输入功率关系实验
时设定输入频率为
1 k H z，即声_控制在
2 kH z 时
对该条件下稳.态温度：进行测量。改变输人偷1蜃电 压，其幅位范围为〇 ~ 30 V ，间隔5 V 。选取测点中温 度最_点进行分析，实验结果如图7所示。
图
7 服装材料表面温度与输入电压关系
Fig. 7 Relationship between surface material
temperature and input voltage
由a 7可以看出，服装材料表面温度与输人电 压曲线近似为抛物线，间接说明服装材料表面温度 与输入功率m 线性变化关系，与石墨烯薄膜表面温
度与输人频率关系变化趋势一致。由图7还可看出, 覆盖服装材料后的温度总是低于无覆盖情况，厚度 越大材料温度越低，越薄的材料温度越接近于无覆 盖时石墨烯薄膜表面温度。
50 100 150 200 250 300 350 400 450
#电时间t/s
(b )服装材料表面温度下降瞬态响应
图
8 服裝材料表面瞬态温度与时间关系
Fig. 8 Transient relationship between surface
material temperature and time
由图8可知，通电升温过程中，服装材料表面瞬 态温度在前200 s 内上升较快，篇逐渐变缓，350 s .左 右趋子稳定；断电降温过程中，服装材料表面瞬态 温度在前150 s 内下降较快,，后逐渐放缓，400 s 左右已经基本稳定。
温度上升过程中，厚度较薄的纤维I 、纤维 II (毛< A <‘）随时间变化最为剧烈，二者到达
稳态所需时间少$纤维m ；羊毛I 厚度小予羊毛 n (、< ^)，更早达到稳态温度；棉料厚度与纤维 m 接近，二者温升曲线较接近。在温度降低过程中, 厚度较薄材料温度降低幅度更快，到达稳态温度时 间相对较短。
通过3组实验可得出结论石墨烯薄膜服装 表面温度随频率变化不大。材料越薄，其表面温、度 就越接近子未覆盖时石鏖：烯薄膜表面温度;②服装 材料表面温度与输人功率呈线性变化;③服装材料 表面瞬态温度随时间的变化呈现先剧烈后平稳的
第4霜 黄旭，等：石墨烯薄膜的发热特性及在服装材料中的应用 <291-
654
32109876543
33333332222222065432109876
5430
33333332222
22.20
a /
姻_E 蝌实#鏘
茑
.292 •服装学报第2卷
33
I ______|_________|______|__________|_______|_________|_______|_________|______|_________I
5
6
7 8 9 10
测试距离/cm
图1〇
不同服装材料声压级与距离关系
Fig. 10 Relationship between sound pressure level
and distance of different clothing materials
结合式(7)、（ 8)中近场中声压与距离关系，由 a 1〇可知：近场中#声压值几乎不随距禽发生变化;
远场中，声压与距离近似成反比。纤维I 厚度最小 (毛< 4 <；心），曲线接近未覆盖情况；纤维n 较纤 维I 厚些，同等测试条件下压值低于纤维I ；纤 维I 、纤维n 变化趋势与无覆盖时情况相同^
4 结语
_于石墨烯薄膜发热特性在服装材料中的应
其：中= ^Kc p 0C ^C s .=
〜为薄膜吸热系
数;‘为薄膜热导率;pe 为薄膜密度;c s石墨烯薄膜 单位面积比热容（HCPUA );<；为薄膜厚度;C p.。为 薄膜比热容；为输人功率密度。由表2可知，纤维I 、纤维n 声压接近未覆盖 情况。针对这两种材料，比较两种材料声压与距离 关系。由瑞利距离S 。二，计算出在输人频率 为8 kHz 的情况下，瑞利距禽为7. 5 cm 。测试距离取 5 ~ 10 .c ..m ，间隔为1 cm ，使得近、远场中测点个数者| 为3个，从而保证声压结果准确性。测试结果如图10 所示。
波长..;e ,+ = y K -ip .c ^代：晨材料的i ；的吸热系
数，材料i 分别为空气(g )、基底U ) 为材料热导
卓;P ，为材料密度;、为材料比热容c
当声频率满足/ > a /4T T L s 2时，近场（r 矣7?。）、 远场(r > ^)石墨烯薄膜扬声器声压表示为[^|
R ,〇_ y _t e… + «c ) +
q 〇(r ^ R 〇)
q 〇(r > R 0)
(8)
7
1
趋势。说明石墨烯薄膜发热服装到达稳定工作状态 前需要进行预热，在材料导热系数相塗不大时，越 薄的服装材料到达稳态温度所需时间越短。
3 石墨烯薄膜发热服装声压实验
®墨烯薄膜发热服装在产生热量时也会产生 声信号，拓展其在声学方面的应用同样具有意义。 实验在苏州大学城市轨道交通学院半消声韋进行， 声压测试实验如图9所示。
图
9 声压测试实验
Fig. 9 Sound pressure test
将不同材料覆于石墨烯薄膜之上，设定交流电 压为30 V ，输入频率8 kHz ，声压传感器与材料距离 /•= 5 cm 。声压测试结果见表2。
表
2 声压测试结果
Tab. 2 Sound pressure test results
服裝材料声ff 缀/d B
'无職40.46棉38.90纤维I 40.35纤维n 40.21纤维皿32.67羊毛I 33.53羊毛n
34.09
当声频率满足/矣时,/为输出寅羅频
开关信号
率，％为基底热扩散系数;4为基底的厚度6近场 (V 矣S 0)、远场（r > /?。）石墨烯薄膜声压表示为[13]
M {es + rtj
q 〇(r ^ R 0)
R ,a 2L
M(es + ac) + e
q 〇(r > R 〇)
(7)
其中，y 为空气比热比A 为声速;M 为频率相关因 乎
= 4/A 为瑞利距离M 为薄膜面积;A
为声波
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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