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碳素复合材料电热元件特性综合分析

    (1)碳素纤维及其复合材料电热元件的失效问题可基本归结为支撑,高温变形或析晶、碳素纤维电热体股线缠绕不均、端头电气接点断裂以及碳素复合材料电热体定型失效四个方面。其中,碳素纤维电热体股线的抢制缠绕和碳素复合材料电热体的高温定型是电热元件性能优化的关键。基于此,研制了碳素纤维电热体股线的捻制缠绕设备,建立其捻制缠绕模型并进行工艺参数计算平台的开发;研制了碳素复合材料电热体制备的定型热处理设备并优化其相应的脱芯工艺。工艺优化后的性能测试表明,碳素复合材料电热元件的功率偏差可控制在SW以内,电热元件表面温度均匀性提高,使用寿命可达12000小时,电阻变化率较小,高压负载的安全性较高,在波段具有较强的辐射能量分布。
    (2)关键制备工艺与碳素纤维及其复合材料电热元件的功率密度一温度关系、阻温特性及热惯性的相关性研究表明,多股线型碳素纤维电热体与氮气瞬时高温表面除杂工艺相结合,可以使碳素纤维电热元件在相同功率密度下的稳定表面温度较高,同时电阻变化率和热惯性较小;多股线型与适宜的定型工艺相结合,可以使电热体脱离石英支撑芯的限制,所得的碳素复合材料电热元件在相同功率密度下的稳定表面工作温度较高,电阻变化率较低,热惯性较小。碳素复合材料电热电热元件稳定表面工作温度和一定升温时间下的瞬时工作温度均随定型胶浓度的改变而改变,采用5%浓度的胶液定型,所得股线型电热元件的稳定工作温度和时工作温度均优于碳毡电热元件,而且电阻变化率低于碳毡电热元件。
    (3)建立碳素电热元件传热过程的微分方程,求解得到电热元件稳定温升及瞬时升温时间的数学表达式。经分析表明,碳素电热体的热辐射性能是影响电热元件功率密度一温度关系和热惯性的重要因素,提高碳素电热体的总发衬率可以提高电热元件的稳定工作温度、降低瞬时升温时间。建立电热元件电阻变叱率与端头接点特性、碳素电热体初始电阻率的关系。经分析表明,碳素七热体的初始电阻率越小,单丝搭接数目越多、接点处接触压力越大及接独点越多,电热元件的电阻变化率越小。
    (4)采用自动分光辐射测试仪研究不同纤维类型、石墨化处理以及表面除杂工艺下碳素纤维的法向光谱发射率和法向总发射率,并利用XRD,拉曼光谱进行相结构分析。经分析表明,与T300碳素纤维相比,T700碳素纤维中石墨微晶相对较高的规整程度带来载流子浓度提高,载流子辐射机制与石墨微晶的晶格振动模式共同作用,使T700样品在2500}SOOOnm和5000}6500nm波段内的光谱发射率优于T300,同时无定型碳等紊乱结构的减少削弱了畸变结构振动模式和由杂质缺陷起的局域振动模式,使6500}13000nm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的波长依赖性,法向总发射率较低。高温石墨化后的T300碳素纤维和国产碳毡,单丝结构中紊乱的无定型碳及四面体结构解构重组,石墨微晶规整程度明显提高,由此带来的载流子辐射机制与石墨晶格振动模式的增强,电热元件使2500}SOOOnm和5000}6500nm波段内的光谱发射率明显提高,畸变结构及杂质缺陷的减少使畸变结构振动模式和与杂质缺陷相关的局域振动模式减少,6500}13000nm内光谱发射率降低。石墨化碳素纤维光谱发射率的波长依赖性明显增强,法向总发射率降低。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造成了T300碳素纤维和国产碳毡内部碳质物相结构刻蚀程度不同,石墨微晶尺寸的减小带来载流子辐射机制的削弱,使得2500}SOOOnm的光谱发射率降低,石墨微晶结构稳定,相对较小的刻蚀程度使5000}6500nm波段内光谱发射率相对稳定而没有明显降低,无定型碳等紊乱结构的稳定性相对较差,较为严重的刻蚀程度使畸变结构振动模式和与杂质缺陷相关的局域振动模式减少,6500}13000nm的光谱发射率降低,光谱发射率的波长依赖性相对增强,法向总发射率降低。碳质物相结构的变化引起了碳素纤维光谱发射率一定的波长依赖关系,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的光谱发射率随波长变化不大,表现出灰体的特性。
    (5)制备工艺与碳素复合材料热辐射性能的相关性研究表明,与碳素纤维布预制体相比,多股线型纤维排布的碳素纤维预制体及碳毡预制体具有相对较高的法向光谱发射率和法向总发射率,同时,短切碳素纤维增强碳/碳多孔坯体的法向光谱发射率和法向总发射率均优于碳素纤维布增强的坯体样品。碳质组成对样品的热辐射性能有较大影响,与纤维碳相比,树脂碳中无定型碳等紊乱不规整结构的相对比例较大,较多的畸变结构振动模式和杂质、缺陷引起的局域振动模式使得树脂碳的热辐射性能优于纤维碳,这是碳/碳多孔坯体法向光谱发射率和总发射率优于其相应纤维预制体的原因。随着浸渍致密化次数的增加,碳布增强和短纤维增强复合材料的法向光谱发射率和总发射率均出现先降低后升高的趋势,致密化前后两组样品总发射率之间的差距减小,树脂碳基体含量的增加有利于最终碳素复合材料光谱发射率和总发射率的提高。抛光后碳素复合材料的表面粗糙度显著降低,法向光谱发射率和总发射率均明显降低。
    (6)基于碳素复合材料电热元件的特性,建立单支电热元件和平行排布多支电热元件的辐射热流密度分布模型,利用MATLAB软件进行辐射热流密度的数值计算和可视化分析。模拟结果表明,电热元件的辐射热流密度场随假想封闭腔有效半径的增加由弓字形逐渐过渡成椭球状。辐射热流密度值随碳素复合材料电热体和石英二次辐射体发射率的增大而增大,辐射热流的不均匀程度也随之提高。随石英管外半径的增加,电热元件辐射热流密度存在一个峰值,辐射热流密度先有所提高,在实验设定的初始条件下,当石英管外径大于0.45cm,辐射热流密度又迅速减小,热流密度分布的不均匀性随石英管外半径的增加最初增加,之后变化不大。电热元件辐射流密度随输入功率的提高而提高,辐射热流密度的不均匀性最初急剧降低,之后变化逐渐缓和。多电热元件空间排布以及输入功率配置影响着受热测试面内辐射热流密度的分布状态。模拟结果表明,在实验设定的初始条件下,电热元件轴线与受热面距离h=12cm、电热元件轴线间距:=lScm、三支电热元件采用1000W-600W-I OOOW功率配置,辐射热流密度场呈“平拱形”分布,平行排布多电热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。www.beritawan.com

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