陳承忠

碳纖維發(fā)熱布的設(shè)計(jì)與開發(fā)

陳承忠

（浙江慶元賽博電子科技有限公司，浙江 麗水 323000）

碳纖維屬于非金屬導(dǎo)電材料，有著一般的碳素材特性，實(shí)際應(yīng)用的過程中可以表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱耐腐蝕特性，可以加工成各種織物，分析了碳纖維發(fā)熱布的設(shè)計(jì)開發(fā)。

碳纖維；發(fā)熱布；設(shè)計(jì)開發(fā)；設(shè)計(jì)原則

1 碳纖維電熱性能

1.1 應(yīng)用特點(diǎn)

碳纖維是一種其他導(dǎo)電材料，具有普通碳材料的耐高溫、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕的特點(diǎn)。與普通的碳材料不同，它具有精致柔軟的外觀，可以粗加工成各種織物材料，在制造業(yè)和日常生活中具有廣闊的發(fā)展前景。在碳纖維及其合金的基本材料中，碳纖維結(jié)構(gòu)是最導(dǎo)電的材料。它的導(dǎo)電機(jī)理不同于其他合金材料，并且取決于非局部特性。碳化和石墨化溫度降低的幅度越大，石墨碳層越發(fā)達(dá)，系統(tǒng)形成鍵的非局部區(qū)域越大，電導(dǎo)率越好，整體導(dǎo)熱性和散熱性就越好。碳長纖維的性能以及電加熱器的開關(guān)效率超過90%，節(jié)能環(huán)保效果非常顯著，可以嘗試避免熱量積聚和過熱的突然發(fā)生，進(jìn)而延長使用壽命。

1.2 性能優(yōu)勢

碳釬焊加熱電纜中的碳植物纖維由直接進(jìn)口的所有其他材料制成，再加上柔軟細(xì)膩、更具彈性的硅橡膠、玻璃纖維復(fù)合材料線和鍍錫銅線，絕緣并編織成。該過程非常復(fù)雜，并且安全性能高。在電源電路的其他工作條件下，操作后電壓為50 mA時(shí)，不會損壞碳焊料和涂層材料。金屬加熱電纜通常使用聚氯乙烯作為護(hù)套，其耐高壓性和耐彎曲性較差。碳釬焊和稍微加熱的通信電纜使用金屬材料和其他材料作為原材料，因此可以保證輕型加熱體的使用壽命達(dá)1 000年。外導(dǎo)體保護(hù)膜由硅橡膠、玻璃纖維復(fù)合材料線和鍍錫銅線制成，可保證實(shí)際使用壽命超過50年。在相同條件下，碳纖維加熱的高壓電纜的實(shí)際壽命比純金屬通訊電纜的實(shí)際壽命更長。打開或關(guān)閉合金加熱電纜時(shí)，會導(dǎo)致各種金屬成為真實(shí)材料。它不會產(chǎn)生最重要的瞬時(shí)功率輸出，并且功率也可能超過額定輸出峰值功率的2倍。此外，完全啟動后，如果在一定時(shí)間內(nèi)未超過額定輸出，其他工作將繼續(xù)供電。在達(dá)到額定功率之前，將恢復(fù)其他功能，然后將正常額定值恢復(fù)為其他額定功率。由于碳纖維復(fù)合加熱電纜中沒有新的強(qiáng)電流脈沖，因此它將在完全啟動和所有停機(jī)期間保持良好的額定輸出功率，并在運(yùn)行后保持額定功率，并且不會瞬間產(chǎn)生最重要的峰值功率。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 發(fā)熱性能穩(wěn)定性

碳纖維加熱纖維布在使用過程中可以保持相同的電阻值，并且可以提供不變的加熱功率。在實(shí)際數(shù)據(jù)的2個(gè)生產(chǎn)過程中，碳纖維電熱布的電阻值會由于許多重要因素的影響而發(fā)生變化，例如在使用過程和生產(chǎn)過程中選擇的原材料，因此必須對其進(jìn)行測試，在拉力、壓痕、壓力等明顯變形作用下的擠壓變形也必須通過變形試驗(yàn)。該試驗(yàn)應(yīng)通過交替的溫度和空氣濕度試驗(yàn)、冷熱循環(huán)期間的熱疲勞試驗(yàn)以及汗滴和大雨的侵蝕來承受。因此，在碳纖維結(jié)構(gòu)電加Zasan的獨(dú)特設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮影響大電阻值的其他這些因素，以確保整體加熱性能的相對穩(wěn)定性。

2.2 顯熱溫度均勻性

加熱室中溫度的施加均勻性意味著加熱區(qū)域中的加熱溫度均勻下降。如果加熱室內(nèi)的溫度差異更加嚴(yán)重，則加熱布局可能會燒穿，甚至引起嚴(yán)重的燒傷。碳纖維結(jié)構(gòu)絲的厚度的均勻性和碳化度的溫度分布的均勻性對加熱度的均勻性有影響。由于接觸不良，金屬材料線和埋入的纖維結(jié)構(gòu)線之間的連接點(diǎn)通常由于加熱不均勻而不均勻。在詳細(xì)設(shè)計(jì)碳纖維長電加登珠燈時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇碳化分布均勻，碳纖維結(jié)構(gòu)絲涂層均勻的非發(fā)熱體。碳素植物纖維絲均勻地分布在加熱布的表面上，并且間隔以合理的方式排列，纖維絲可以穩(wěn)定連接。

2.3 安全、舒適性

一些碳纖維發(fā)熱元件的電壓值和輸出功率對于使用 220 V輸出電流的發(fā)熱元件是安全的，即在36 V和輸入電壓的安全下使用本標(biāo)準(zhǔn)。還必須考慮局部低溫燃燒損失的發(fā)生，以確保完全安全。但在詳細(xì)設(shè)計(jì)碳纖維結(jié)構(gòu)電熱布時(shí)，應(yīng)考慮電熱布的阻燃性能和電氣安全保證。與其他碳纖維電熱元件（如碳紙、涂層工藝電熱元件、電熱膜等）相比，碳纖維電熱布具有柔軟、細(xì)膩、輕便、透氣等突出優(yōu)點(diǎn)，用于日常生產(chǎn)過程中可以表現(xiàn)出良好的特性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 原料選擇

碳植物纖維絲是加熱布的核心，與金屬材料線交織在一起，形成非導(dǎo)電加熱電路的主體。在輸入電壓下會產(chǎn)生傳導(dǎo)熱。碳纖維結(jié)構(gòu)線和純金屬線由西通紗組成。碳線和纖維線在所有間隔內(nèi)都嵌入到織物材料的緯線方向，金屬線沿翹曲方向分布在導(dǎo)電加熱布的兩側(cè)。碳纖維電加登珠的結(jié)構(gòu)表明，該織物具有不同的色織收縮率。兩根經(jīng)紗（金屬絲和針織牛仔布）和兩根緯紗（碳纖維紗和其他紗線）。設(shè)計(jì)方法和垂直面料會帶來很多困難，以下描述了碳纖維短纖導(dǎo)電加熱墊的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)。參照整個(gè)市場上32 cm×32 cm加熱墊的規(guī)格比較，設(shè)計(jì)匹配的輸出功率為45 W，輸出電流為 12 V。加熱其他材料時(shí)，可以根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法的要求選擇相同的類型或不同的類型。碳素植物纖維的值和相同寬度可以滿足不同的需求。選擇高質(zhì)量的3K濕紡基碳纖維和連續(xù)長絲纖維作為加熱墊的加熱元件，其電阻值為1.5 Ω。

3.2 基體織物選配

碳纖維結(jié)構(gòu)短絲和細(xì)銅絲是可實(shí)現(xiàn)加熱布基本功能且不可替代的主要材料。為了確保最佳的傳導(dǎo)加熱效果和針織物的光滑表面，有必要根據(jù)碳纖維的銅線和銅線來選擇和匹配基布紗線，即碳纖維的強(qiáng)度和剛度?；窘饘倏椢锏慕?jīng)紗應(yīng)接近鋁線的剛度，緯紗的徑向剛度應(yīng)接近碳纖維結(jié)構(gòu)的短纖維的剛度，以防止相同的聚酯纖維不同的比例。但是，碳纖維絲和纖維絲在織物的背面都是圓形的，并且金屬絲也起皺。在使用該標(biāo)準(zhǔn)的過程中，加上碳纖維的電加熱，長碳纖維周圍的溫度非常高，在選用構(gòu)成基本紡織品的經(jīng)緯紗時(shí)，必須選用熱控性好的植物纖維棉紗，以防止長期高溫加熱引起的熱收縮和織物材料的綜合性能降低，導(dǎo)致織物產(chǎn)生安全隱患，造成碳纖維結(jié)構(gòu)電熱布的問題。雖然局部高溫和燃燒性能很小，但出于安全考慮，有必要綜合考慮使用。個(gè)人推薦選用阻燃滌綸紗或碳纖維電熱布進(jìn)行阻燃收集整理。聚酯的初始模量很高，特別是高強(qiáng)度、低伸長率的聚酯。雖然在負(fù)荷下容易變形，但織物下面的機(jī)械緯紗是斜的，它可以更有效地防止碳絲彎曲并在金屬絲上逐漸形成皺紋。另外，下降至普通玻璃化轉(zhuǎn)變室的聚酯的溫度為67 ℃，并且加熱基體的加熱溫度通常約為40 ℃。這可以滿足人類新陳代謝的需求，比較自然舒適。它低于攝氏聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且織物在使用過程中的彎曲和變形能力非常小。因此，加熱座墊的底布的經(jīng)紗和緯紗使用106.3tex聚酯低彈性紗。

3.3 織物組織設(shè)計(jì)

銅線紡織結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)在接觸之前考慮銅線與碳纖維結(jié)構(gòu)線之間的緊密接觸。請使用紗羅結(jié)構(gòu)或平紋組織。為了減少機(jī)器的復(fù)雜性，可以選擇碳纖維結(jié)構(gòu)和底布、與底布相同的薄紙，并通過機(jī)織布和斜紋編織設(shè)計(jì)相關(guān)的組織，減少損壞。為了單獨(dú)確保加熱室內(nèi)溫度的混合均勻性，碳纖維和纖維絲之間的距離不應(yīng)太大，它們中的大多數(shù)為13 cm。加熱的座墊的織物結(jié)構(gòu)是編織、碳和纖維?？梢跃C合考慮碳長纖維絲和鐵絲的直立強(qiáng)度和剛度而根據(jù)不同的特定目的設(shè)計(jì)電加熱布的其他規(guī)格，并且它不應(yīng)太獨(dú)特而不能成為特別緊湊的結(jié)構(gòu)。

4 性能測試

在GA747桿織機(jī)上，測試并編織了用于加熱座墊的碳長纖維加熱布。同時(shí)，兩個(gè)加熱布在兩個(gè)寬度方向上延伸。后梁的實(shí)際高度為9 cm。劍桿織機(jī)進(jìn)入棚子的時(shí)間為800 s，劍桿織機(jī)離開棚子的時(shí)間為2 800 s，織機(jī)速度為180 r/min，緯紗密度為23齒，相對濕度平穩(wěn)編織過程影響很大。當(dāng)紗線低時(shí)，羊毛紗線會嚴(yán)重?cái)嗔?，無法正常編織，因此需要加濕，使?jié)穸仁冀K保持至少70%。銅線僅由紗架發(fā)送。尼龍低彈絲的最大張力不應(yīng)太大。原則上，它可以確保開口是透明的，從而減少了由于較低的針織收縮率而導(dǎo)致的織物表面不規(guī)則性。短碳纖維不通過緯紗進(jìn)給器，以增加短碳植物纖維的表面磨損。碳纖維絲的夾緊力可以通過各種良好的彈性夾具和導(dǎo)輪進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了加強(qiáng)對表面光滑的碳纖維短纖維的控制，應(yīng)選擇夾緊力大的劍作為矛尖。關(guān)閉機(jī)器后，可以將加熱布加熱到比室溫低16.5 ℃的溫度，完全可以達(dá)到預(yù)設(shè)部件設(shè)計(jì)的峰值功率范圍。額定功率為42 W，碳纖維的加熱溫度降至43～44 ℃。而且布的平均溫度下降到37～38 ℃可以持續(xù)較長時(shí)間相對穩(wěn)定。利用自身碳的特性和纖維的導(dǎo)電發(fā)熱，設(shè)計(jì)并開發(fā)了自主研發(fā)的碳纖維非導(dǎo)電發(fā)熱布，具有廣闊的市場前景。根據(jù)以上內(nèi)容，有不同的使用要求。有許多方法可以合理地配置碳纖維結(jié)構(gòu)細(xì)絲和銅線的總數(shù)，可以詳細(xì)設(shè)計(jì)。工廠在不同的輸出電壓下會產(chǎn)生少量輸出的不同功率和高功率。針織物可用作人體功能加熱和保健的熱源和材料。

5 結(jié)束語

應(yīng)用碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱特性設(shè)計(jì)的碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱布有著廣闊的市場前景，結(jié)合不同的應(yīng)用需求可以具體設(shè)置銅絲數(shù)量長度以及碳纖維絲數(shù)量長度，進(jìn)而就能夠設(shè)計(jì)出不通電壓不同功率條件下的發(fā)熱織物。

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2095－6835（2020）20－0055－02

TS176

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.021

陳承忠（1973—），男，浙江慶元人，1999年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)（自學(xué)考試），機(jī)電工程師，2005年至今任職于浙江慶元賽博電子科技有限公司，總經(jīng)理，主要研究碳纖維發(fā)熱體材料、遠(yuǎn)紅外健康理療等產(chǎn)品。

〔編輯：王霞〕