木質(zhì)電熱復(fù)合材料的電熱響應(yīng)機(jī)理及性能研究.pdf

1、木質(zhì)電熱復(fù)合材料在電采暖制品領(lǐng)域具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)前景。該新型功能材料是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，尚缺乏理論研究，實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用過程頻現(xiàn)諸如功率偏差大、發(fā)熱不均及電熱效應(yīng)不穩(wěn)定等關(guān)鍵問題。通過研究揭示其制備過程及長(zhǎng)期加載下的電阻演變規(guī)律、電熱效應(yīng)及其響應(yīng)規(guī)律，可為改善功率偏差、電熱穩(wěn)定性及均勻性提供直接的理論參考。
　　本論文采用碳纖維紙作為電熱材料，制備電熱膜和木質(zhì)電熱復(fù)合材料，系統(tǒng)研究其在短期及長(zhǎng)期過載條件下對(duì)不同規(guī)格碳纖維紙、膠

2、合材料、膠合因子及不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的電熱響應(yīng)規(guī)律及其機(jī)理，并創(chuàng)新地采用碳纖維單絲制作電熱元件及其木質(zhì)復(fù)合電熱元件，從微米尺度分析了電熱效應(yīng)及響應(yīng)機(jī)制，形成較為系統(tǒng)的碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合材料電熱響應(yīng)機(jī)制，主要獲得以下結(jié)論:
　　(1)碳纖維紙的電熱效應(yīng)機(jī)理:碳纖維紙依靠其中的碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通電制熱，包括碳纖維單絲和單絲搭接電熱單元。其中，單絲搭接界面接觸電阻平均約為71.4Ω，搭接點(diǎn)發(fā)揮主要電熱效應(yīng);單絲中間區(qū)域發(fā)熱溫度較高。碳纖維單

3、絲搭接電熱元件、單絲電熱元件和碳纖維紙的溫升與功率均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;隨加載功率的增加，單絲搭接電熱元件溫升的提高速率最大。
　　(2)碳纖維紙電熱溫度分布機(jī)制:碳纖維紙電熱溫度分布均勻性取決于其中碳纖維單絲及單絲搭接點(diǎn)分布和搭接點(diǎn)間單絲長(zhǎng)度的均勻度。單絲發(fā)熱溫度在長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)較好的一元二次方程拋物線分布，垂直方向溫度隨距離呈現(xiàn)較好的GaussAmp方程曲線分布。加載30W/m單位功率時(shí)，10mm單絲長(zhǎng)度中間區(qū)域溫差低于7℃的范

4、圍為單絲中間的左右各2.5mm范圍，而垂直方向?yàn)閱谓z上下各1.5mm范圍。隨碳纖維單絲長(zhǎng)度增加，長(zhǎng)度上均勻程度明顯提高，而垂直方向沒有明顯改善。在搭接結(jié)構(gòu)中，圍繞搭接點(diǎn)溫度呈現(xiàn)一定聚集，7℃溫差范圍縮小。
　　(3)三聚氰胺改性脲醛樹脂(MUF)比環(huán)氧樹脂半固化片(PP)制備的電熱材料（分別為UFP和FRP）電阻下降率(DRR)高，且UFP具有較優(yōu)的耐電-熱耦合老化作用和響應(yīng)規(guī)律性。在20～100℃范圍的熱-阻效應(yīng)中，UFP呈現(xiàn)線

5、性相關(guān)的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)效應(yīng)，F(xiàn)RP卻表現(xiàn)出分段的NTC和正溫度系數(shù)(PTC)效應(yīng)。在1000W/m2功率密度過載13h過程中，兩種電熱材料均呈現(xiàn)NTC效應(yīng)，UFP電阻比FRP穩(wěn)定;但斷電瞬間和冷卻后，UFP的DRR分別為4.1％、1.4％，高于FRP(2.5％、0.04％)。UFP電熱層中木-膠-碳纖維紙界面融合較好，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg大于250℃，比FRP(113℃)具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)熱力穩(wěn)定性。過載后電熱層中低聚物進(jìn)一步交聯(lián)聚合，

6、Tg提高;尤其FRP的增強(qiáng)效果顯著，Tg增大到132℃。同時(shí)，過載后碳纖維表面無序結(jié)構(gòu)等缺陷在電-熱耦合作用下可能進(jìn)一步氧化刻蝕，其物相結(jié)構(gòu)趨于絮亂，但未能削弱其熱輻射性能。
　　(4)碳纖維單絲膠合于木質(zhì)復(fù)合材料后DRR呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，表面溫度均勻度得到明顯改善，5min后基本達(dá)到最大溫升，且40min內(nèi)溫度平穩(wěn)。加載20W/m單位功率13h過程中，溫升浮動(dòng)1℃左右;斷電冷卻后，MUF膠合電熱元件的電阻降低了2.01％，PP膠合電熱

7、元件電阻反而增大了0.35％，表明單絲在電流作用下其結(jié)構(gòu)和電阻發(fā)生了變化。
　　(5) MUF、PP單絲膠合電熱元件在20～100℃范圍的熱-阻效應(yīng)中，均呈現(xiàn)NTC效應(yīng)，100℃時(shí)DRR分別為4.54％、5.07％。單絲在連續(xù)加載10～40W/m過程，因密度高達(dá)1.30×108～2.34×108A/m2的電流作用，可能使碳纖維石墨化激活能降低，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生弛豫;同時(shí)，其表層規(guī)則及無規(guī)則結(jié)構(gòu)被氧化刻蝕及剝離，致使單絲電熱元件TCF

8、物相結(jié)構(gòu)明顯趨于完善，因此加載過程中電阻發(fā)生波動(dòng)，也將影響其熱輻射性能。
　　(6)膠合過程中電阻始終呈現(xiàn)有規(guī)律的下降趨勢(shì)。升壓過程，電熱層中電極底部及電極之間的導(dǎo)電通路增多，導(dǎo)電橫截面積增大，DRR與單位壓力呈現(xiàn)很高的線性相關(guān)度;保壓過程，DRR與時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。單位壓力對(duì)最終DRR的影響不顯著;施膠量對(duì)DRR有極顯著的影響，呈現(xiàn)良好的線性下降關(guān)系;DRR演變于24～40％范圍內(nèi)。單位壓力越高越有利于形成更多暫時(shí)、脆弱的“

9、壁壘”，過載后DRR保留率就越高;同樣，施膠量增大也促進(jìn)“壁壘”形成。此外，增加施膠量不利于熱輻射的釋放。
　　(7)木質(zhì)電熱復(fù)合材料板面表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)傳熱規(guī)律，溫升與加載功率密度同時(shí)呈現(xiàn)線性和冪函數(shù)關(guān)系。電熱層移向中間層，板面溫度不均勻度可降低1～2℃;但板面溫升及升溫速度降低，且板底溫度升高。通過引入隔熱反射膜可同時(shí)提高板面升溫速度及溫升，板面實(shí)現(xiàn)20℃溫升最長(zhǎng)可縮短3min，板底最高可降低6℃。
　　(8)木質(zhì)電熱復(fù)合