碳素电热元件的电热辐射性能研究

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1、材料学专业优秀论文材料学专业优秀论文 碳素电热元件的电热辐射性能研究碳素电热元件的电热辐射性能研究关键词：碳素纤维关键词：碳素纤维 碳素复合材料碳素复合材料 电热元件电热元件 热辐射热辐射 辐射热流密度辐射热流密度摘要：碳素纤维及其复合材料具有优异的热辐射性能，以其作为辐射源的碳素 电热元件波长匹配性良好，加热效率较高。针对自行研制的碳素纤维及其复合 材料电热元件开展电热辐射性能的应用研究，分析元件制备工艺与电热性能的 相互关系，系统探讨物相结构、制备工艺与碳素纤维及其复合材料热辐射性能 的变化规律，可为高性能碳素热辐射材料的制备提供帮助。本文首先进行了碳 素电热元件的失效问题分析，以优化工艺

2、为目的研制了碳素纤维电热体股线的 捻制缠绕设备和碳素复合材料电热体的高温定型装备，在制备出高质量碳素电 热元件的基础上测试其相关的电热性能并进行机理分析，之后系统研究碳素纤 维及其复合材料电热体热辐射性能的变化规律，最后从工程应用出发，进行碳 素复合材料电热元件辐射热流密度分布的数值模拟。 通过报废碳素电热元件 的失效原因总结，确定了股线型碳素纤维电热体的捻制缠绕以及碳素复合材料 电热体的高温定型是碳素电热元件制备的关键步骤。在此基础上研制了碳素纤 维电热体股线的捻制缠绕设备并建立其工艺计算模型，开发了碳素复合材料电 热体的高温定型装备并优化了定型后电热体的脱芯工艺。性能测试表明，经工 艺优化

3、后碳素复合材料电热元件的功率偏差可控制在 5W 内，表面温度均匀性较 好，使用寿命达 12000 小时，电阻变化率较小，高压负载条件下的安全性较好， 在 220m 具有较强的热辐射能量分布。 系统研究了制备工艺与碳素电热 元件电热性能（功率密度-温度关系、阻温特性和热惯性）的相互关系。结果表 明，采用氮气瞬时高温法进行碳素纤维电热体表面除杂，所得的带支撑芯股线 型碳素纤维电热元件在相同功率密度下的稳定工作温度较高，电阻变化率较低， 热惯性小。此外，支撑芯的存在不利于元件电热性能的提高，脱离石英支撑芯 的限制，采用碳素纤维多股线，选用适宜浓度的定型胶进行高温定型处理，所 得的无支撑芯碳素复合材料

4、电热元件在相同功率密度下的稳定工作温度较高， 电阻变化率较低，热惯性较小，其各项电热性能均优于碳毡元件。 建立碳素 电热元件传热微分方程，求解得到元件稳定温升及瞬时升温时间的数学表达式， 经分析，碳素电热体的热辐射性能是影响元件功率密度-温度关系和热惯性的重 要因素，提高碳素电热体的总发射率可以提高元件的稳定工作温度、降低瞬时 升温时间。建立元件电阻变化率与端头接点特性、碳素材料初始电阻率的关系， 碳素电热体的初始电阻率越小、单丝搭接点越多、接点处接触压力越大及接触 点越多，元件电阻变化率越小。 采用自动分光辐射测量测试了不同纤维类型、 高温石墨化以及表面除杂处理下碳素纤维的法向光谱发射率和总

5、发射率，利用 X 射线衍射仪（XRD） 、显微激光拉曼光谱仪（LRS）进行物相结构分析。碳素纤 维物相结构与热辐射性能的变化关系表明，T700 碳素纤维中石墨微晶的结构规 整程度优于 T300 样品，载流子辐射机制与石墨微晶的晶格振动模式增强，使得 T700 样品在 25005000nm 和 50006500nm 波段内的光谱发射率优于 T300，无 定型碳等紊乱结构的减少削弱了畸变结构和杂质缺陷引起的振动模式，使得 650013000nm 波段的光谱发射率较低，T700 碳素纤维的光谱发射率呈现一定 波长依赖性，法向总发射率低于 T300 样品。高温石墨化后的 T300 碳素纤维和 国产碳毡

6、，石墨微晶规整程度提高，载流子辐射机制与石墨晶格振动模式的增 强使 25005000nm 和 50006500nm 波段内光谱发射率明显提高，同时畸变结构和杂质缺陷的减少使相关的辐射机制削弱，650013000nm 内的光谱发射率 降低，石墨化后碳素纤维的光谱发射率表现出明显的波长依赖性，总发射率降 低。与氮气瞬时高温法相比，空气瞬时高温和硝酸液相表面除杂引起碳素纤维 内部碳质物相结构的刻蚀程度不同，石墨微晶尺寸的减小削弱了载流子辐射机 制，25005000nm 波段的光谱发射率降低，石墨微晶相对较小的刻蚀程度使 50006500nm 波段的光谱发射率相对稳定而没有明显下降，而更加紊乱的无定

7、型碳等物相结构的稳定性较差，发生了严重刻蚀，相关的振动模式减少使其辐 射机制削弱，引起了 650013000nm 内光谱发射率的降低，光谱发射率的波长 依赖性增强，总发射率降低。载流子辐射机制、石墨晶格振动辐射机制以及畸 变结构、杂质缺陷的辐射机制共同作用使碳素纤维在测试波段内光谱发射率的 波长依赖性较弱，表现出灰体材料的特性。 测定了碳素复合材料的法向光谱 发射率和法向总发射率，利用扫描电子显微镜（SEM）进行表面形貌分析，系统 研究了纤维排布、碳质组成、浸渍致密化工艺以及表面形貌与碳素复合材料法 向光谱发射率和法向总发射率的变化关系。结果表明，不同的纤维排布改变了 样品的结构松散程度，多股

8、线排布的碳素纤维预制体及碳毡的法向光谱发射率 和法向总发射率均优于碳素纤维布预制体，短切纤维增强碳/碳多孔坯体的法向 光谱发射率和法向总发射率优于碳布增强坯体。碳质组成的不同引起了碳素复 合材料热辐射性能的变化。树脂碳紊乱畸变的结构比例大于纤维碳，较多的畸 变晶格振动模式及缺陷杂质局域振动模式引起相应辐射机制的增强，使得树脂 碳的热辐射性能优于纤维碳，因此碳/碳多孔坯体的法向光谱发射率和总发射率 均优于其相应的纤维预制体。碳布和短纤维增强碳素复合材料的法向光谱发射 率和总发射率均随着浸渍致密化次数的增加出现先降低后升高的趋势，多次致 密化后两组样品总发射率间的差距减小，增加树脂碳含量有利于碳素

9、复合材料 发射率的提高。表面抛光引起了样品粗糙度的显著降低，碳素复合材料的法向 光谱发射率和总发射率均明显下降。 建立单支碳素复合材料电热元件和平行 排布的多支元件的辐射热流密度分布模型，利用 MATLAB 软件进行数值计算和可 视化分析，结果表明，元件辐射热流密度随碳素复合材料发射率的增大而增大， 热流密度的不均匀度随之提高。元件辐射热流密度随石英发射率的增加而增大， 热流密度的不均匀度随之提高。随石英管外半径增加，元件辐射热流密度先有 所提高，在设定初始条件下，当外径大于 0.45cm 时热流密度又迅速减小，热流 密度不均匀度随石英管外半径的增加最初增加，之后变化不大。元件辐射热流 密度随

10、输入功率而提高，热流密度不均匀度最初急剧降低，之后变化逐渐缓和。 多元件辐射热流密度的分布受元件轴线与受热面间距离、元件轴线间距以及多 支元件间功率配置的影响。在设定初始条件下，元件轴线与受热面距离 h=12cm、元件轴线间距 s=15cm、采用 1000W-600W-1000W 的功率配置时，辐射 热流密度场呈“平拱形”分布，平行排布多元件采用合理的交替功率布置，能 够获得均匀性相对较好的辐射热流密度分布场。正文内容正文内容碳素纤维及其复合材料具有优异的热辐射性能，以其作为辐射源的碳素电 热元件波长匹配性良好，加热效率较高。针对自行研制的碳素纤维及其复合材 料电热元件开展电热辐射性能的应用研

11、究，分析元件制备工艺与电热性能的相 互关系，系统探讨物相结构、制备工艺与碳素纤维及其复合材料热辐射性能的 变化规律，可为高性能碳素热辐射材料的制备提供帮助。本文首先进行了碳素 电热元件的失效问题分析，以优化工艺为目的研制了碳素纤维电热体股线的捻 制缠绕设备和碳素复合材料电热体的高温定型装备，在制备出高质量碳素电热 元件的基础上测试其相关的电热性能并进行机理分析，之后系统研究碳素纤维 及其复合材料电热体热辐射性能的变化规律，最后从工程应用出发，进行碳素 复合材料电热元件辐射热流密度分布的数值模拟。 通过报废碳素电热元件的 失效原因总结，确定了股线型碳素纤维电热体的捻制缠绕以及碳素复合材料电 热体

12、的高温定型是碳素电热元件制备的关键步骤。在此基础上研制了碳素纤维 电热体股线的捻制缠绕设备并建立其工艺计算模型，开发了碳素复合材料电热 体的高温定型装备并优化了定型后电热体的脱芯工艺。性能测试表明，经工艺 优化后碳素复合材料电热元件的功率偏差可控制在 5W 内，表面温度均匀性较好， 使用寿命达 12000 小时，电阻变化率较小，高压负载条件下的安全性较好，在 220m 具有较强的热辐射能量分布。 系统研究了制备工艺与碳素电热元 件电热性能（功率密度-温度关系、阻温特性和热惯性）的相互关系。结果表明， 采用氮气瞬时高温法进行碳素纤维电热体表面除杂，所得的带支撑芯股线型碳 素纤维电热元件在相同功率

13、密度下的稳定工作温度较高，电阻变化率较低，热 惯性小。此外，支撑芯的存在不利于元件电热性能的提高，脱离石英支撑芯的 限制，采用碳素纤维多股线，选用适宜浓度的定型胶进行高温定型处理，所得 的无支撑芯碳素复合材料电热元件在相同功率密度下的稳定工作温度较高，电 阻变化率较低，热惯性较小，其各项电热性能均优于碳毡元件。 建立碳素电 热元件传热微分方程，求解得到元件稳定温升及瞬时升温时间的数学表达式， 经分析，碳素电热体的热辐射性能是影响元件功率密度-温度关系和热惯性的重 要因素，提高碳素电热体的总发射率可以提高元件的稳定工作温度、降低瞬时 升温时间。建立元件电阻变化率与端头接点特性、碳素材料初始电阻率

14、的关系， 碳素电热体的初始电阻率越小、单丝搭接点越多、接点处接触压力越大及接触 点越多，元件电阻变化率越小。 采用自动分光辐射测量测试了不同纤维类型、 高温石墨化以及表面除杂处理下碳素纤维的法向光谱发射率和总发射率，利用 X 射线衍射仪（XRD） 、显微激光拉曼光谱仪（LRS）进行物相结构分析。碳素纤 维物相结构与热辐射性能的变化关系表明，T700 碳素纤维中石墨微晶的结构规 整程度优于 T300 样品，载流子辐射机制与石墨微晶的晶格振动模式增强，使得 T700 样品在 25005000nm 和 50006500nm 波段内的光谱发射率优于 T300，无 定型碳等紊乱结构的减少削弱了畸变结构和

15、杂质缺陷引起的振动模式，使得 650013000nm 波段的光谱发射率较低，T700 碳素纤维的光谱发射率呈现一定 波长依赖性，法向总发射率低于 T300 样品。高温石墨化后的 T300 碳素纤维和 国产碳毡，石墨微晶规整程度提高，载流子辐射机制与石墨晶格振动模式的增 强使 25005000nm 和 50006500nm 波段内光谱发射率明显提高，同时畸变结 构和杂质缺陷的减少使相关的辐射机制削弱，650013000nm 内的光谱发射率 降低，石墨化后碳素纤维的光谱发射率表现出明显的波长依赖性，总发射率降低。与氮气瞬时高温法相比，空气瞬时高温和硝酸液相表面除杂引起碳素纤维 内部碳质物相结构的刻

16、蚀程度不同，石墨微晶尺寸的减小削弱了载流子辐射机 制，25005000nm 波段的光谱发射率降低，石墨微晶相对较小的刻蚀程度使 50006500nm 波段的光谱发射率相对稳定而没有明显下降，而更加紊乱的无定 型碳等物相结构的稳定性较差，发生了严重刻蚀，相关的振动模式减少使其辐 射机制削弱，引起了 650013000nm 内光谱发射率的降低，光谱发射率的波长 依赖性增强，总发射率降低。载流子辐射机制、石墨晶格振动辐射机制以及畸 变结构、杂质缺陷的辐射机制共同作用使碳素纤维在测试波段内光谱发射率的 波长依赖性较弱，表现出灰体材料的特性。 测定了碳素复合材料的法向光谱 发射率和法向总发射率，利用扫描电子显微镜（SEM）进行表面形貌分析，系统 研究了纤维排布、碳质组成、浸渍致密化工艺以及表面形貌与碳素复合材料法 向光谱发射率和法向总发射率的变化关系。结果表明，不同的纤维排布改变了 样品的结构松散程度，多股线排布的碳素纤维预制体及碳毡的法向光谱发射率 和法向总发射率均优于碳素纤维布预制体，短切纤