加捻和编织工艺对聚丙烯腈基碳纤维电热元件电热辐射特性的影响 5页

第31卷第9期机械工程材料Vol.31No.92007年9月MaterialsforMechanicalEngineeringSep.2007加捻和编织工艺对聚丙烯腈基碳纤维电热元件电热辐射特性的影响曹伟伟,朱波,张敏,王成国(山东大学材料科学与工程学院,山东济南250061)摘要:测试了几种编织工艺聚丙烯腈基碳纤维及其电热元件的电热性能,并进行了电热辐射机理分析。结果表明:编织工艺对碳纤维(毡)电热体及其电热元件的电热温升、阻温特性、热惯性均有较大影响;采用多股绳编织工艺,可以改善碳纤维电热元件的电热性能,降低其热惯性,同时也可降低电热体自身的表面负荷。编织工艺与电热辐射特性结合,可以实现温度的自我调节,提高碳素电热材料的温敏效应。关键词:聚丙烯腈基碳纤维(毡);电热性能;编织工艺中图分类号:TQ160.5文献标识码:A文章编号:100023738(2007)0920026204InfluenceofTwistingandWeaveProcessontheElectro2thermalRadiantPropertyofPAN2basedCarbonFiberElectricHeatingElementCAOWei2wei,ZHUBo,ZHANGMin,WANGCheng2guo(ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:Theelectro2thermalfeatureofPAN2basedcarbonfiberanditselectricheatingelementondifferentweaveprocesshadbeentestedandtheelectro2thermalradiantmechanismhadbeenanalyzed.Theresultsshowthattheweaveprocesshavegreatinfluenceonthepower2temperatureproperty,resistance2temperaturepropertyandthermalinertiaofcarbonfiber(felt)anditselectricheatingelement;Withmulti2compoundyarnprocess,theelectro2thermalfeaturecanbeimproved,itsthermalinertiacanbedecreased,andthepowerdensityofcarbonfibercanalsobedecreased.Withthehelpoftheweaveprocessandelectro2thermalradiantproperties,thetemperatureofthePAN2basedcarbonfiber(felt)canbeadjustedbyitselfandthetemperaturesensibilityofcarbonelectro2thermalmaterialscanbeimproved.Keywords:PAN2basedcarbonfiber(felt);electro2thermalproperty;weaveprocess发热不均而使寿命缩短;碳纤维长丝的抗拉强度比0引言碳毡高,加工中不易拉断,热稳定性相对较好,但加碳纤维因其优良的热辐射性能,成为新一代节工过程容易与缠绕设备摩擦起毛,同样影响发热的能环保的电热材料,主要应用于家用取暖、工业烘烤均匀性,因此需进行加捻编织处理。对于发热稳定设备及医用理疗设备等各种红外辐射加热场合。目性和均匀性要求高的温敏元件,加捻编织成为影响前广泛使用的碳素电热材料主要有碳毡和长丝碳纤电阻稳定和发热效率的关键因素。国内外对碳素电维两种,碳毡易于剪裁,可以灵活控制电热材料的规热体绝缘接头结构和发热体编织方式等进行了不断研究,同时碳/碳、碳/陶瓷以及碳/有机层等新型碳格和功率,但剪裁会造成碳毡厚度不均,导致元件因基复合材料电热元件也在不断开发,但对碳素电热收稿日期:2006211222;修订日期:2007202201体加工工艺与电热特性的相关性研究不是很多。作基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目者以聚丙烯腈基碳纤维和碳毡为研究对象,分析了(2002AA304090)编织加捻工艺对其电热特性的影响,为保证元件发作者简介:曹伟伟(1981-),男,山东青岛人,博士研究生。热的均匀性,实现温度自控,制作精密的碳素温敏元[1,2]导师:朱波教授件提供参考。·26· 曹伟伟,等:加捻和编织工艺对聚丙烯腈基碳纤维电热元件电热辐射特性的影响1试样制备与试验方法1.1试样制备碳毡选用日本吴羽化学提供的KRECA2Felt(a)碳素毡电热元件系列软碳毡;碳纤维选用日本东丽公司生产的T700系列聚丙烯腈基长丝(3K、12K两种规格),经单纯加捻及多股加捻两种工艺处理后,分别用铜电极固定于试验台上备用。其中编织加捻处理在山东大学(b)多股绳螺旋碳纤维电热元件碳纤维中心开发的碳纤维电热体专用加捻合股机及多股碳纤维编织设备上进行,该设备可以实现不同规格、股数碳纤维的加捻和编织,加捻度、加捻股数、编织股数和编织方式均可以灵活调节。不同编织工(c)加捻螺旋碳纤维电热元件艺长丝碳纤维的结构见图1。(a)未加捻碳纤维(b)加捻碳纤维(c)多股绳碳纤维图1几种不同编织工艺长丝碳纤维示意(d)未加捻编织碳纤维电热元件Fig.1Thediagramofcarbonfiberwithdifferentkinds图2碳素毡和碳纤维长丝电热元件的结构示意ofweaveprocessesFig.2Thestructureofcarbonfeltandcarbonfiber(a)untwistedcarbonfiber(b)twistedcarbonfiberelectro2thermalelements(c)multi2compoundyarncarbonfiber(a)carbonfeltelectro2thermalelement(b)multi2compoundyarnhelixcarbonfiberelectro2thermalelement不同编织加捻工艺的碳纤维(毡)电热元件由山(c)twistedhelixcarbonfiberelectro2thermalelement东菏泽盛欣电热有限公司提供,作者选用四种试样,(d)untwistedweavecarbonfiberelectro2thermalelement其结构见图2。式中:R为不同编织工艺碳纤维的冷态电阻,Ω;R11.2试验方法为不同编织工艺碳纤维的工作态电阻,Ω。采用电压表、电流表测定碳纤维(毡)试样的电由图3可见,随着温度的升高,各种碳纤维的电压电流,使用接有晶闸管调压装置的电功率计测定阻变化率均增加并逐渐趋向平稳,但变化关系随编并调节输入功率;采用四点电极法测定碳纤维长丝织工艺存在一定差别。未加捻碳纤维的电阻变化率的电阻值。较大;加捻后,相同工作温度其电阻变化率明显下采用TM6801B型高温点温计测量碳素电热体降,曲线变化趋势一致,但与单纯加捻工艺相比,多平衡状态的表面温度。股绳碳纤维的电阻变化率均有增加。热惯性测试参照GB7287.4-1987的方法,采用自制的时间2温度采集系统进行测试。系统主要由红外测温仪和温度记录仪组成,其中红外测温仪用来感知被测碳素电热体的表面温度,温度自动记录仪采集记录测试时间(间隔为5s)。红外辐射测温仪测温迅速,有效避免了接触式测温元件的热滞后现象,提高了测试精度。2试验结果与分析1.未加捻碳纤维2.单纯加捻碳纤维3.多股绳加捻碳纤维2.1编织工艺对长丝碳纤维阻温特性的影响图3不同编织工艺长丝碳纤维的阻温特性曲线用电阻变化率(ΔR)来表示电阻随温度的变化1.untwistedcarbonfiber2.twistedcarbonfiber[3]3.multi2compoundyarncarbonfiber特性:Fig.3Resistance2temperaturecurveofcarbonfiberwithR-R1ΔR=×100%differentweaveprocessR·27· 曹伟伟,等:加捻和编织工艺对聚丙烯腈基碳纤维电热元件电热辐射特性的影响2.2编织工艺对长丝碳纤维电热温升的影响由图4可见,长丝碳纤维的稳定表面温升与输入功率基本成正比,但编织工艺不同,曲线斜率存在一定变化。未加捻长丝的斜率最大,单纯加捻的斜率最小,多股绳的斜率居中。因此多股绳工艺可以降低碳纤维长丝工作表面温度。1.碳素毡2.多股绳碳纤维3.加捻碳纤维4.未加捻碳纤维图6不同编织工艺碳素电热元件的时间2温度曲线1.carbonfelt2.multi2compoundyarncarbonfiber3.twistedcarbonfiber4.untwistedweavecarbonfiberFig.6Time2temperaturecurveofcarbonmaterialelectro2thermalelementswithdifferentweaveprocess碳纤维和碳毡电热体均采用真空封装结构,腔1.未加捻碳纤维2.单纯加捻碳纤维3.多股绳加捻碳纤维体为耐高温透明石英管,长丝碳纤维还需石英支撑图4不同编织工艺长丝碳纤维的功率2温升曲线1.untwistedcarbonfiber2.twistedcarbonfiber芯固定,这种独特结构使碳素电热元件的传热比普3.multi2compoundyarncarbonfiber通金属电热体复杂得多。Fig.4Power2temperaturecurveofcarbonfiberwithdifferent由于真空腔体的保护,碳素电热毡接受的电能weaveprocess(P电)基本上全部以热辐射(Pfelt-辐射)向外传播,而长丝碳纤维除此之外还有支撑芯的热损失。石英材2.3编织工艺对碳素电热元件电热温升的影响质对电磁波独特的吸收和辐射特性,使其存在一个由图5可见,相同的表面负荷下,碳毡电热元件[4]阻隔波长λ,大于λ的辐射能,被外腔吸收而转化的表面温升最高,而长丝碳纤维电热元件的表面温为石英的蓄热能和二次辐射能。在温升稳定时,可升随着编织工艺改变而变化,多股绳螺旋缠绕电热以建立石英外腔的传热方程。元件的温升最高,未加捻编织电热元件的温升最低。对碳毡电热元件:4P电=Pfelt-辐射=εfeltσTfelt(1)∞P散=KτSτw=εfelt∫M(λ0,Tfelt)dλ0λ∞εfelt∫M(λ0,Tfelt)dλ0λ或τw=(2)KτS式中:Kτ为外腔的综合散热系数;S为石英外腔的1.碳素毡2.多股绳碳纤维3.加捻碳纤维4.未加捻碳纤维2散热面积,m;τw为稳定温升;εfelt为碳毡发热体;图5不同编织工艺碳素电热元件的表面负荷2温升曲线1.carbonfelt2.multi2compoundyarncarbonfiberTfelt为碳毡;λ0为阻隔波长。P散为散热热能。3.twistedcarbonfiber4.untwistedweavecarbonfiber对于长丝碳纤维电热元件,由于温升平衡时支Fig.5Power2temperaturecurveofcarbonmaterialelectro2thermal撑芯与碳纤维的温度相等,看作一个发热整体,也可elementswithdifferentweaveprocess得到类似的传热关系。42.4编织工艺对碳素电热元件热惯性的影响P电=Pfq-辐射=εfqσTcf(3)由图6可见,相同表面负荷下,碳毡电热元件的∞P散=KτSτw=εfqM(λ0,Tεf)dλ0升温速率最大,长丝纤维的编织工艺影响元件的升∫λ温速率,其中多股绳螺旋缠绕电热元件的升温速率∞εfqM(λ0,Tcf)dλ0较其它两种编织工艺大。∫λ或τw=(4)2.5机理分析KτS2.5.1碳素电热元件的传热分析式中:εfq为长丝碳纤维电热体(包括支撑芯)的发射·28· 曹伟伟,等:加捻和编织工艺对聚丙烯腈基碳纤维电热元件电热辐射特性的影响率;Tcf为碳纤维的表面温度,℃;根据电热元件通电纤维的排布方式,使材料的发射率发生变化,最终改[5]瞬时的表面温度(T)2升温时间(t)的关系可得:变元件的电热特性。据文献报道,碳素材料的发射[6]碳毡电热元件率与表面特性有如下的近似关系:KτSτ1-1cm1+∞εt=K[1+(-1)R](7)t=ln(5)εsKτSεfelt∫M(λ0,Tfelt)dλ0-KτSτλ式中:εt为不同表面特性碳素电热体的发射率;εs为长丝碳纤维电热元件理想光滑表面碳素材料的发射率;K为修正系数;RKτSτcm1+∞为表面特性因子,它表示理想光滑表面积As与实t=ln(6)KτSεfq∫M(λ0,Tcf)dλ0-KτSτAsλ际表面积Af之比,即R=。At式中:c为石英外腔的比热;m为石英腔的质量,kg;由式7可知,表面特性因子R与电热体发射率τ为瞬时元件表面温度,℃;其它参数同式1～4。εt存在着反比关系,联系2.5.1的结果得到电热元对于规格和结构相同的电热元件,其外真空腔散件稳定温升τw、升温时间t与表面特性因子R之间热面积S、综合散热系数Kτ等参数基本一致。由以的关系可见,在相同表面负荷和散热条件下,碳素电上传热分析可知,碳素发热体的发射率εfelt、εfq与元件热体的表面特性因子R与稳定温升τw成反比,与的稳定温升τw成正比,与升温时间t成反比,因此碳升温时间t成正比。为了分析不同编织工艺及R值素发热体的发射率是影响电热特性的关键参数。对电热特性的影响,可建立碳素电热体单丝纤维的2.5.2不同编织工艺的影响机理横向排布模型,见图7。编织工艺的不同,改变了碳素发热体内部单丝(a)碳素毡(b)多股绳碳纤维(c)加捻碳纤维(d)未加捻碳纤维图7不同编织工艺碳纤维(毡)横向排布模型示意Fig.7Thecrosssectiondistributiondiagramofcarbonfiber(felt)withdifferentweaveprocess(a)carbonfelt(b)multi2compoundyarncarbonfiber(c)twistedcarbonfiber(d)untwistedweavecarbonfiber由图7可见,碳毡单丝间接触最少且空隙分布表1不同编织工艺碳素材料的表面特性因子最广,空隙在碳毡内部彼此连贯,在截面方向上形成Tab.1Thesurfacecharacterfactorofcarbonmaterial了一种多孔结构;长丝碳纤维电热体可用加捻线的withdifferentweaveprocess[7]横向分布模型来分析。多股绳碳纤维经多重加捻类型碳毡多股绳碳纤维加捻碳纤维未加捻碳纤维合股,其捻度最大,单丝趋向整股外轮廓线,同时股R0.06950.2580.4470.788与股之间存在空隙,形成了较为松散的空隙聚集态[8]结构;单纯加捻碳纤维,整束纤维加捻后整体合股,可以有效地提高材料的发射率。因此碳毡电热元加捻度相对较低,属于紧密聚集态结构;未加捻编织件的稳定温升最高,而升温时间最短,热惯性最小;碳纤维采用多层编织工艺,呈现出单丝紧密堆积、整对于长丝碳纤维来说,多股绳碳纤维电热元件的稳体致密的特点。根据横向排布模型,作者分别对以定温升较高,热惯性较小。此外,未加捻碳纤维丝束上四种编织工艺的碳素电热体进行表面特性因子的松散,加捻后丝束抱团,丝之间横向接触增加,散热近似计算,结果见表1。可见碳毡电热体的R值最面积减小,因此加捻后碳素电热体的电阻变化率下小,多股绳碳纤维次之,而未加捻编织碳纤维的R降,通电时本身的表面温度升高;与单纯加捻相比,值最大。根据热辐射理论,松散结构中微孔广泛分多股绳工艺增加了丝束间空隙,所以电阻变化率随布,电磁波在微孔空腔内的散射和反射作用较强,多之增加,表面温度则随散热面积增加而减小,分析结次反射增加了电磁波的穿透深度,不断地反射吸收(下转第57页)·29· 苑改红,等:三聚氰胺泡沫塑料的吸声性能[4]度,低频吸声增加很快,而对高频吸收影响很小。3图5是密度为7.2kg/m、不同厚度的三聚氰胺泡沫塑料吸声系数的测试结果。可见,随试样厚度增加,第一共振频率由高频向低频偏移。50mm时第一共振频率为1600Hz,60mm时为1250Hz,80mm时偏移到800Hz。由50mm到60mm,第一共振频率向低频移动1个倍频程;由60mm到80mm,第一共振频率向低频移动2个倍频程。随厚度增加,吸声频带宽度明显拓宽,低于第一共振频率图5不同厚度三聚氰胺泡沫塑料的吸声性能Fig.5Comparisonofdifferentthicknessfoamsonacoustic低频吸声系数提高。三聚氰胺泡沫塑料的吸声系数absorptioncoefficient随厚度的变化规律呈现如此的规律性,原因在于,当材料的流阻较低时,声抗率对吸声系数的影响不可渣棉及聚氨酯泡沫塑料,而低频吸声系数较玻璃棉、忽略,增加材料的厚度,其声抗率增加,这对材料的矿渣棉等纤维吸声材料稍低,与聚氨酯泡沫塑料低低频吸声系数影响较大,而对高频吸声系数影响不频吸声系数相差不大。密度对三聚氰胺泡沫塑料吸大[5]。因此,增加材料的厚度,在100～1250Hz范声系数的影响不大;增加材料厚度能提高材料在低围内,吸声系数有明显提高。如频率400Hz处,随频段(<1kHz)的吸声系数。着厚度由50mm增加到60,80mm,吸声系数由参考文献:0133迅速提高到0.45,0.69。当然,这并不是说材[1]方单群,王文奇,孙家麒.噪声控制手册[M].北京:北京出版料厚度越厚越好,继续增加材料的厚度,材料平均吸社,1986.[4]声系数增加值逐步减小。因此,在实际应用中,应[2]蒋淦清.船舶噪声控制[M].北京:人民交通出版社,1985.根据噪声的频谱特性,合理选择材料的厚度,以免造[3]Park,ChungP.Acousticabsorptionpolymerfoamhavingim2provedthermalinsulatingperformance:UnitedStates,成材料的浪费。20040039072[P].2004-02-26.3结论[4]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京:机械工业出版社,2002.三聚氰胺泡沫塑料具有良好的吸声性能,特别[5]吴小清.利用吸声材料和阻尼材料降低拖拉机驾驶室内噪声是中高频(≥1kHz)吸声系数明显高于玻璃棉、矿的研究[D].长春:吉林工业大学,1997.(上接第29页)参考文献:果与试验结果基本一致。因此多股绳工艺不仅可以[1]朱波,曹伟伟,王延相,等.新型碳纤维电加热辐射管的开发提高元件的电热特性,而且有效地降低了碳纤维电[J].工业加热,2005,34(2):40-42.热体本身的表面温度,这对降低表面负荷、提高元件[2]曹伟伟,朱波,董兴广,等.新型无芯体碳纤维红外点热辐射管的开发[J].工业加热,2006,35(2):47-49.寿命有很大作用。[3]朱四荣,李卓球.PAN基碳纤维毡的电热性能[J].武汉理工3结论大学学报,2004,26(9):13-16.[4]葛世名,李工一.电容器高红外快速固化技术[J].电力电容(1)在相同输入功率下多股绳工艺的表面温升器,2002(3):38-42.比单纯加捻碳纤维长丝的低,其电阻变化率稍有增[5]孙明清,李卓球.CFRC电热特性研究[J].武汉工业大学学加;在相同表面负荷下碳毡元件的电热温升最高,这报,1997,19(2):72-74.与其单丝纤维的排布及结构的松散性有关。[6]WornerB,NeuerG.Investigationofthethermal2radiation(2)对四种编织工艺的碳素电热体建立了其表propertiesoftechnicalroughmetalsurfaces[J].HighTemper2ature2HighPressures,1979,11:383-391.面特性与电热温升、热响应时间的近似数学模型。[7]顾平,管辛.粘胶长丝加捻线的形态特征与数学模型[J].纺(3)多股绳工艺可以有效增加长丝碳纤维电热织学报,2005,26(2):33-36.元件的电热温升,降低其热响应时间,同时碳纤维发[8]夏德宏,余涛.热辐射波在介质内的散射机理[J].北京科技热体本身的表面温度降低,电阻变化率减小。大学学报,2006,28(2):175-178.·57·