自控温电热复合材料是一种基于焦耳效应的新型功能材料,能够实现电能向热能的直接转化。当下,全世界对柔性电热复合材料的研制正成为新型功能材料研究领域的一个热点。但传统电热复合材料在实际应用过程中还普遍存在自控温性差、电热性能不稳定和易老化失效等问题,这些问题制约了电热复合材料的实际应用。因此,对具有优良性能的电热复合材料的研究和开发不论是在科学研究还是在实际应用上都具有非常重要的意义与价值。为了克服以上局限性,本文针对高分子基电热复合材料展开了一系列的研究。通过溶液法将不同类型碳系填料和高分子基体进行机械混合制备出了一系列具有优良电热性能及循环稳定性能的电热复合材料。主要研究结果如下:(1)以具有优良机械性能和耐化学腐蚀性能的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)为基体,采用不同类型碳材料作为导电填料,通过涂膜技术制备了 TPU基电热复合膜。本工作首先选用Super-P和多壁碳纳米管(MWCNTs)分别作为单组份导电填料,再将导电填料与粘结剂以一定的质量比进行机械研磨,以N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)为溶剂,充分搅拌后配制成浆料,最后将浆料涂覆在PET基底上制得柔性电热膜。此外,本工作对TPU基体中不同种类碳材料的导电能力及其电热性能和循环性能进行了系统研究。研究结果表明:两种不同形态导电填料Super-P与MWCNTs在PTU基体中的渗流阈值均为15 wt.%。当导电填料含量在10-20wt.%之间时,TPU/Super-P复合材料的电导率更高。但当导电填料含量超过25 wt.%时,TPU/MWCNTs复合材料的导电性要好于TPU/Super-P复合材料,且其面电阻最低仅为23.91 Ωsq-1。当复合材料中导电填料含量在10-20 wt.%时,复合电热膜在输入电压为5-80 V时,达到恒定温度时间均小于50 s。然而,当导电填料含量在25-30 wt.%时,复合电热膜达到恒定温度则需要100 s。其中TPU/Super-P复合电热膜的恒温区稳定性高于TPU/MWCNT复合电热膜。此外,导电填料含量为20 wt.%时,TPU/Super-P和TPU/MWCNTs两种电热膜分别在30 V和20 V电压下循环6次,最高温度与相对电阻基本保持不变,电热循环性能良好。(2)制备系列以TPU为粘结剂,混合碳为导电填料的电热复合材料。围绕Super-P和MWCNTs两种碳材料的混合比例对电热复合材料的电学性能、电热性能以及电热循环性能的影响展开了研究。研究结果表明:当Super-P与MWCNTs的质量比为5:20时,其面电阻为30.5 Ωsq-1。该结果较同质量分数单一碳为导电填料的电热复合材料的面电阻要小。当Super-P与MWCNTs的质量比为12.5:12.5时,所得复合电热膜在输入电压为5-25 V时均可在50 s内达到恒温,且恒温区平台稳定。该复合电热膜在15 V电压下循环6次,最高温度均恒定在47 ℃,表现出较好的电热循环稳定性。此外,电热膜的电流(I)-电压(U)曲线接近线性关系,符合欧姆定律。(3)考察了以聚氧化乙烯(PEO)和聚氨酯乳液(PU)为复合基体时的电热复合材料性能。首先以Super-P为导电填料,探究不同粘结剂配比对电热膜材料的电学性能、电热性能以及循环性能的影响,并优选出综合性能较好的组成比例。实验结果表明:当PEO与PU质量比为5:2时,单一碳基复合电热膜在20 V下可在25 s内达到40 ℃,恒温平台稳定,并且在25 V电压下循环6次,最高温度均稳定在48 ℃。基于上述结果,结合TPU基电热膜中的优选混合碳配比,进一步研究了以混碳作为导电填料制得的电热膜材料的电热性能与电热循环性能。在混碳电热膜中,当Super-P与MWCNTs的质量比为12.5:12.5时,样品在20 V下可在25 s内达到40 ℃,并在25 V电压下循环6次,最高温度稳定在45 ℃。此外,电流-电压曲线严格保持线性关系,符合欧姆定律,且电功率(P)随电压满足P = U2/R关系。(4)电热膜材料的应用研究。将电热膜材料与可逆热致变色材料复合在一起,构成可穿戴新型电热膜器件。在10 V电压下对其进行通断电测试并观察其变色过程。应用测试结果表明:新型电热膜材料在通电过程中颜色的变化是由于通断电过程中膜表面温度的升高与降低所致。当通电120 s后,电热膜上的图案明显由红色变成白色,此时温度为43 ℃;而断电60s后,图案恢复红色,此时温度为室温。