高导热性能石墨烯加热装置构建及其在航天食品加热中的应用

罗明磊，袁 淼，赵 伟，董海胜，臧 鹏

（中国航天员科研训练中心 航天营养与食品工程重点实验室，北京 100094）

0 引言

随着载人航天工程的发展，航天员在轨驻留时间由短期逐渐向中长期演变，而航天食品是航天员中长期在轨驻留期间最重要的能量来源之一［1］。航天食品作为航天员在特殊环境下生存的基本保障，既要能够满足航天员从事航天飞行任务过程中特殊的营养和感官需求，又要能够适应航天环境下贮藏、食用、餐余垃圾处理等工程要求和限制条件［2］。为适应不断延长的在轨驻留时间，航天食品种类及包装类型取得极大发展。从罐头食品、压缩食品等扩展到热稳定食品、复水食品、中水分食品、辐照食品、新鲜食品、调味品、功能食品、自然型食品和复水饮料等［3-6］。针对品类丰富的航天食品，研发人员设计如乙烯-乙烯醇共聚物（Ethylene vinyl alcohol copolymer，EVOH）包装［7］、铝合金罐、透明蒸煮袋、铝箔复合膜蒸煮袋等多种包装形式，并根据营养摄入需求，设计了不同规格和尺寸的包装［8］。

为保障航天食品在轨驻留期间具有良好的食用口感，食品加热设备尤为重要。前苏联“联盟9号”任务装备了铝管食品加热器，可以对铝管内的糊状食品进行加热，加热后食品温度可达到60～70 ℃，首次实现航天员进食热稳定食品［9］。国际空间站太空厨房设施较为完善，配置的烤箱温度维持在75 ℃左右，可同时加热多个食品，水分配器提供的热水温度也能够达到70 ℃［10］。我国载人航天器上也配置了同样的食品加热装置，可实现同时加热米饭、汤、菜和罐头等食品，保障航天员在太空中也能够摄入温度适宜的航天食品［11］。但食品加热装置存在重量大（约4.4 kg）、加热效率低、加热时间长（每次约30 min）、加热空间小等不足，而航天器对上行产品的尺寸、重量、功耗等有严格的限制［12］。因此，设计加热效率高、能量消耗低、尺寸小重量轻的食品加热器，既能够节约航天器宝贵资源，又可以实现航天食品的高效加热，保证航天食品的良好口感。

石墨烯是碳原子紧密排列成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，具有优异的电学性能、机械性能、高导热性和化学惰性等特点［13］，在电子、能源、化工、材料等领域得到广泛应用［14-19］。试验测试单层石墨烯热导率高达5 300 W/（m·K），根据石墨烯应力分布、尺寸大小和几何形态不同，其热导率大致分布在1 500～5 000 W/（m·K）［20-22］。石墨烯是目前导热率最高的材料，在具有与铜可比拟的导电性的同时，导热率超过铜10倍［23-25］。PRAMANAND和PRATHEEP等将石墨烯用作导热添加剂，合成氧化石墨烯-氧化铜和氧化锌-石墨烯材料均显著提高了材料的导热效率，实现能量的高效传递［26-27］。石墨烯薄膜的制备方法包括化学气相沉积（CVD）法、自组装法、印刷法等［28-30］。在石墨烯电热膜两端通电后，材料中分子相互摩擦、碰撞产生热量，热能以波长8～15 μm的远红外线形式向周围环境辐射热量，其有效电热能转换率达到99%以上，并且发热性能稳定［31-32］。因此可利用石墨烯的高导热性能，研制体积小、重量轻的石墨烯加热设备，实现航天食品的高效加热。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

4种包装食品：米饭类主食（EVOH包装），重量200 g；粥类主食（多层复合材料包装），重量200 g；肉类副食（铝箔包装），重量100 g；菜类副食（多层复合材料包装），重量100 g。

PAS40-18型输出可变型开关电源（日本菊水电子工业株式会社）；testo-925型单通道测温仪（德国德图公司）；testo-869型红外热成像仪（德国德图公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 石墨烯加热装置搭建

石墨烯加热装置如图1所示，包括直流稳压电源、温控器，石墨烯加热板和测温仪。石墨烯加热板是将石墨烯油墨印刷在基底材料上，并设有导热层，加热板尺寸为40×19 cm，质量约105 g，外层使用保温材料进行隔热处理。加热板连接温控器，为满足航天食品包装耐温限值，控制加热板温度最高不超过95 ℃，装置由24 V直流稳压电源供电。测温仪实时测量、记录加热食品温度。

图1 石墨烯加热装置Fig.1 Graphene heating device

1.2.2 空载升温速率评价

升温速率是指在一定电压下，石墨烯加热板温度上升随时间变化情况。测试时输入24 V直流电压，电流限值为5 A，使用测温仪测量加热板中间温度。

1.2.3 食品加热速率评价

加热速率是指在一定电压下，被加热航天食品温度随时间变化情况。测试时输入24 V直流电压，电流限值为5 A，使用测温仪测量航天食品温度。

1.2.4 加热均匀性评价

加热均匀性是指加热后航天食品各个部位温度分布情况。利用测温仪测量航天食品中心和四周5个采样点的温度，采样位置如图2所示。

图2 温度采样点位置Fig.2 Graphene temperature sampling point

温度分布系数是描述加热均匀性的指标，系数越小，说明温度差别越小，加热越均匀。温度分布系数如下式［33］：

式中 α——温度分布系数；

Tz——航天食品中心温度，℃；

Ti——航天食品第i点的温度，℃；

n——除中心外的测温数目。

2 结果与分析

2.1 空载升温速率

空载测量时，加热板几何中心温度上升曲线如图3所示。初始阶段加热板升温速率非常快，10 s后升温速率基本成线性关系，在95 s时达到设定的最高温度95 ℃，升温速率为0.68 ℃/s。可见石墨烯加热装置能够在低电压下保持优良的升温速率，可满足航天食品在轨加热需求。

图3 石墨烯加热装置空载升温速率Fig.3 Graphene heating device heating rate at no load

2.2 食品加热速率

针对不同类型的航天食品，测量其温度随时间的变化情况。

2.2.1 铝箔包装肉类副食和多层复合材料包装菜类副食加热

副食食品抽真空后与包装紧密贴合，并且形状是比较规则的矩形，能够与加热板紧密贴合，便于热传导，加热升温曲线如图4所示。副食类食品能够在15 min内快速达到指定温度（60 ℃以上）。多层复合材料包装袋食品加热效率先低于铝箔包装袋食品后又高于铝箔包装袋食品。主要原因：（1）多层复合材料包装袋食品含水量较高，可近似于纯水体系，在能量输入速率恒定条件下，温度几乎与时间呈线性相关；（2）铝箔包装食品内容物主要是肉类，肉类固形物含量远高于多层复合材料包装袋食品，内部不同导热系数的固形物分布不均匀导致了温度上升过程中出现波动；（3）铝箔包装食品肉类固形物导热系数低于水，导热效率低，最终导致在15 min左右时温度低于多层复合材料包装袋食品。

图4 石墨烯加热装置对2种包装副食加热升温曲线Fig.4 Graphene heating device heating curve of 2 kinds of non-staple food

2.2.2 EVOH包装主食加热

对EVOH包装主食进行加热试验，见图5。加热板快速达到温度限值（95 ℃）后自动断电，但食品温度只有约37 ℃。

图5 石墨烯加热装置对EVOH包装主食加热示意图Fig.5 Graphene heating device heating diagram of EVOH staple food

根据傅立叶定律［34］，导热基本方程式：

式中 Q——热量，W；

A——导热面积，m2；

dt/dn——温度梯度，K/m；

λ——导热系数，W·m-1·k-1。

在航天食品包装材料和内部食品原材料及规格不变的情况下，决定加热效率的因素主要包括：加热板升温速率、加热接触面积。由于EVOH罐内食品到罐最高边缘有一定距离，同时EVOH罐底部也呈非平整状态，导致加热板无法与食品紧密贴合，降低了热量传导效率。可利用石墨烯优异的机械性能，选用柔性基底，设计柔性石墨烯加热装置，以匹配EVOH罐包装食品的加热需求。

2.2.3 多层复合材料袋包装主食加热

同样方法，开展多层复合材料包装的粥类主食加热试验，加热升温曲线见图6。粥类食品能够在13 min时达到60 ℃。

图6 石墨烯加热装置对粥类主食加热升温曲线Fig.6 Graphene heating device heating curve of congee staple food

通过上述加热试验可以看出，除EVOH包装类主食外，其他食品在15 min内能加热到指定温度（60 ℃以上）。从室温加热到35 ℃，温度随时间快速升高；35 ℃后，升温速率有所下降。

2.3 加热均匀性

加热均匀性是评价预包装航天食品加热效果的重要因素，加热不均匀，导致主食食品夹生，影响食品感官接受性，进而影响进食体验。影响加热均匀性的主要因素是加热板。在不限定加热板温度的情况下，使用红外热成像仪对加热板进行热成像测温，见图7。

图7 石墨烯加热装置发热膜热成像图Fig.7 Graphene heating film thermography

加热板发热均匀，加热温度超过200 ℃，完全能满足航天食品加热需求。

以铝箔包装和多层复合材料包装2种包装形式副食为例，测量加热后食品内部5个点温度，计算温度分布系数，结果如表1所示。由数据可知，食品加热效果均匀。

表1 副食食品温度分布Tab.1 Non-staple food temperature distribution table

3 结语

本文对石墨烯加热4种航天食品的加热效率和均匀性进行研究，试验结果表明：石墨烯加热板升温速率快，热响应时间短；石墨烯加热航天食品效率高，食品加热均匀性好。综上所述，利用高导热性石墨烯作为航天食品加热器的热源能够实现航天食品的快速均匀加热。本研究为石墨烯加热装置在航天中的应用提供了数据支持，为航天食品加热器研制提供思路。但为满足载人航天工程应用，还需要进一步改进研制，获得可靠性、安全性及能效比高的航天食品加热装置，满足多人多餐同时加热的需求：

（1）设计柔性石墨烯加热装置。选择柔性材料作为基底层，如聚酰亚胺膜，其具有优异的耐高温、耐化学腐蚀和电绝缘性能，上面铺设石墨烯加热涂层，形成柔性加热装置。或者利用石墨烯超高的热导性和柔性，将其作为填料提高高分子材料导热性，形成高导热性能石墨烯复合涂料，如以环氧树脂作为基体的复合涂料。复合涂料附着力好，成膜性好，可适用于任何结构面，设计不同类型食品的加热结构后涂布石墨烯复合涂料发热层，从而使设备能够匹配不同包装规格的食品，实现加热板与食品包装紧密贴合，满足不同食品的加热需求。以达到既充分利用资源又节省空间的目的。

（2）优化设备结构。除加热材料性能外，还应对保温结构、加热腔结构进行优化设计，从而达到节约能源、提高效率的目的。