用于电加热的半导体光子晶体薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于半导体电热柔性膜制备，更具体地，涉及一种用于电加热的半导体光子晶体薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池组已广泛应用于社会生活中，而电池组常常会在超低温的环境下使用，极限温度可达-40℃，在这种环境下，锂离子的性能会受到限制，大大降低设备的续航时间，达不到用户要求的技术指标，且锂离子电池在低温环境下充电存在安全性问题，电池温度低于0℃则会禁止充电，所以一款合适的供暖保温器件就显得尤为重要。

2、现有的电加热供暖主要有电阻加热、电磁感应加热和微波加热三种类型，其中使用最多的是电阻加热，电阻加热中有各种加热元件，如电热丝、电热管、电热板、石英管等，但其金属电阻丝密度大、能耗高，且存在升温慢、脆性大、寿命短、使用场景少等缺点。而半导体光子晶体电热膜具有轻便易携、高效节能、加工方便、使用安全等优点，可以很好地避免上述供暖器件的不足。半导体电热膜在日常生活和工业生产中应用非常广泛，其具有熔点高、柔性好、电阻低、热效率高、化学稳定性好等特点，特别是耐酸和碱，在加热过程中无明火的特性，使得其成为电热领域的重要发展趋势，逐渐成为了取代传统电热材料的重要材料。随着世界各国对环境保护的重视，环保高效型供暖产品必将成为未来发展的主流，这不仅要求该产品具有优异的电热转换效率，还需要其能够在多场景中进行应用，如锂离子电池保暖等特殊环境。现有的柔性半导体电热膜仍存在效率不高，热量无法长时间保存、易失效等问题。

3、目前市面上许多的半导体电热产品均是以半导体物理结构作为核心来制备的刚性加热器，而柔性电热产品多以石墨烯等进行掺杂。常规的涂覆、喷涂技术获得的薄膜，使得电热膜与基底结合不紧密，在外力或热应力作用下容易开裂或脱落，导致成膜稳定性不足，而且存在附着力差，电热膜容易从基体上脱落，漏电流较大等缺陷，容易失效。

4、因此，现有的柔性电热膜存在的热效率不高，热量无法长时间保存，以及稳定性不好等问题，成为本领域的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于电加热的半导体光子晶体薄膜及其制备方法和应用，其目的在于，通过设计半导体光子晶体薄膜的成分和结构，获得热效率高、稳定性好的半导体光子晶体薄膜，由此解决现有的柔性半导体电热膜存在的热效率不高、薄膜稳定性差的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

3、一种用于电加热的半导体光子晶体薄膜，其为光子晶体结构，其成分包括均匀混合的半导体材料、导电导热材料和聚合物；在薄膜总质量中，所述半导体材料占比50％-75％，所述导电导热材料占比10％-20％，所述聚合物占比5％-30％。

4、优选地，所述半导体光子晶体薄膜内具有孔隙。

5、优选地，所述半导体材料包括pbte、gete、agsbte2、bi2te3、sige、mnsi2、ces或其中任意几种的合金；所述导电导热材料包括碳或者金属；所述聚合物用作半导体光子晶体复合薄膜的基体，包括环氧树脂、tpu、pvc或pdms。

6、作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：

7、一种用于电加热的半导体光子晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

8、(s1)用稀释剂稀释聚合物后，加入半导体粉末、导电导热材料粉末混合均匀，得到均匀溶液体系；

9、其中，在聚合物、半导体粉末、导电导热材料粉末的总质量a中，聚合物质量占比为50％-75％，半导体粉末质量占比为10％-20％，导电导热材料粉末质量占比为5％-30％。

10、(s2)将所述均匀溶液体系制备成光子晶体结构的膜，得到用于电加热的半导体光子晶体薄膜。

11、优选地，步骤(s2)中，采用辊压、旋涂、刮涂或滴涂的方式在4-15mpa连续压力下将所述均匀溶液体系制备成光子晶体结构的膜。其中优选辊压，辊压的方式得到的光子晶体结构最好。

12、优选地，采用辊压的方式将所述均匀溶液体系制备成光子晶体结构的膜的方法具体为：

13、(s21)将所述均匀溶液体系固化至半固化状态；

14、(s22)将所述半固化状态的材料涂覆在辊筒上，辊压成膜，得到所述光子晶体结构的膜。

15、优选地，步骤(s1)中，加入半导体粉末、导电导热材料粉末时加入造孔剂；所述造孔剂的加入量为所述总质量a的1％-10％。

16、优选地，步骤(s1)中，所述半导体粉末粒径为微米级以下；所述造孔剂的粒径为微米级以下。

17、优选地，所述导电导热材料粉末为碳粉或金属粉。

18、作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：

19、一种半导体材料光子晶体加热膜，包括多张通过热压实贴合连接的上述用于电加热的半导体光子晶体薄膜，以及一上一下分别叠放在贴合连接后的多张半导体光子晶体薄膜的两端的导电电极；其中，相邻贴合的半导体光子晶体薄膜的成分不完全相同。

20、作为本发明的另一个方面，还提供了以下技术方案：

21、一种半导体材料光子晶体加热膜的制备方法，将上述方法制备得到的多张用于电加热的半导体光子晶体薄膜贴合，并在设定压力和温度下压实，然后空冷获得具有发热功能的半导体光子晶体复合薄膜；

22、在所述半导体光子晶体复合薄膜的两端一上一下分别叠放导电电极，然后用绝缘膜热压压实封装，得到半导体材料光子晶体加热膜。

23、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

24、1、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜，通过设计半导体光子晶体薄膜的成分和结构，获得热效率高、稳定性好的半导体光子晶体薄膜；具体地，

25、微观结构为片层的石墨烯材料的结构不稳定、更容易失效，采用石墨烯材料做成的加热膜寿命相对较短；因而本发明采用半导体材料，半导体材料相比片层的石墨烯材料，稳定性更好，不容易失效，使得制备的半导体光子晶体薄膜结构性能更加稳定，寿命更长；且半导体材料本身也是加热材料，在通电状态下会发热，因而进一步提升半导体光子晶体薄膜的加热效率。然而半导体材料如果加入量太少，会导致发热温度太低，发热效果不好；如果加入量太多，由于半导体材料价格昂贵，成本太高，且加热效果提升不明显；因此，本发明将半导体材料质量占比控制在50％-75％，保证良好的加热效率的同时，控制成本。

26、作为半导体光子晶体薄膜的基体的聚合物本身是不导电的，因此本发明加入导电导热材料，导电导热材料具有导电导热性能，其分散于光子晶体结构中，使得半导体光子晶体薄膜具有导电导热性。然而导电导热材料如果加入量太少，则达不到导电导热的效果，如果加入量太多，会导致聚合物基体太少，则难以固化成膜，机械性能不好，会轻易破裂，并且导电导热材料加入如果多会导致不同成分材料之间难以相互扩散混合均匀，导致半导体光子晶体薄膜均匀性差、影响薄膜质量；因此本发明将导电导热材料质量占比控制在10％-20％，保证半导体光子晶体薄膜机械性能的同时，保证其具有良好的导电导热性。

27、聚合物作为半导体光子晶体薄膜的基体，本身是不导电的，如果加入量过多，会导致半导体光子晶体薄膜不导电，发热效果很差，如果加入量过少，则难以固化成膜，机械性能不好，会轻易破裂；因此本发明将聚合物质量占比控制在5％-30％，保证半导体光子晶体薄膜机械性能的同时，保证其具有良好的导电性。

28、本发明的半导体材料、导电导热材料和聚合物以光子晶体结构、以设定比例(半导体材料占比50％-75％，导电导热材料占比10％-20％，聚合物占比5％-30％)构成半导体光子晶体薄膜。光子晶体结构是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，也即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体结构具有光子晶体效应，光子晶体效应是指光子晶体结构通电后，光子运动导致光子之间摩擦生热的效应。利用光子晶体效应，对光子晶体通以电流时，其产生的热量一部分来自电能，另一部分来自于光子晶体结构，因此本发明的制热效率可超过100％，最高可达130％，能很快地使周围的物体温度升高，从而可以获得加热效率极高的电加热器件，可广泛应用在诸如锂电池热管理保温器件等特殊环境中。

29、现有技术的加热膜是将加热层贴在柔性基底上再封装，加热层与柔性基底之间在工作时加热环境下容易剥离。本发明半导体光子晶体薄膜是一张整体的薄膜，不存在加热层与柔性基底结合及剥离的问题，成膜热稳定性好。

30、2、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜，由于孔隙的存在，孔隙不易散热利用热量保存，使得半导体光子晶体薄膜的温度保留时间即保温时间增长。

31、3、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜的制备方法，通过设计半导体光子晶体薄膜的成分、制备步骤，获得热效率高、稳定性好的光子晶体结构的半导体光子晶体薄膜；

32、用稀释剂稀释聚合物，使得后续加入的半导体粉末、导电导热材料粉末能够与聚合物混合均匀；若是先将半导体粉末、碳粉或金属粉先用稀释剂稀释，由于稀释剂对半导体粉末、碳粉或金属粉不相容，会导致稀释剂与粉末极度不均匀，即使再加入聚合物，混合后的溶液中各成分分布也是非常不均匀的。因此，本发明先用稀释剂对聚合物稀释，二者混合均匀后再加入半导体粉末、碳粉或金属粉、造孔剂，经过搅拌能够得到混合均匀的溶液体系，进而制备得到成分均匀的光子晶体结构的半导体光子晶体薄膜。

33、4、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜的制备方法，通过加入设定比例(总质量a的1％-10％)的造孔剂，使得制备得到的半导体光子晶体薄膜内具有孔隙，提升半导体光子晶体薄膜的保温时间。

34、5、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜的制备方法，提供了将均匀溶液体系制备成光子晶体结构的膜的具体方法，包括辊压、旋涂、刮涂或滴涂等成膜方式。

35、6、本发明提供的用于电加热的半导体光子晶体薄膜的制备方法，半导体粉末粒径、造孔剂的粒径为微米级以下，微米级以下的粉末在后续材料混合等步骤可以使得材料混合更均匀，进而使得最终获得的半导体光子晶体薄膜成分更均匀，半导体光子晶体薄膜的发热效果更好。

36、7、本发明提供的半导体材料红外光子晶体加热膜，可通过贴合多张半导体光子晶体薄膜，并叠加电极组装得到半导体材料光子晶体加热膜，该加热膜加热高效、保温时间长、稳定性好、可大批量生产、使用安全。

37、8、本发明提供了半导体材料光子晶体加热膜的制备方法，制备得到的加热膜热效率高、保温时间长、稳定性好，可广泛应用在诸如锂电池热管理保温器件等特殊环境中。