本文關鍵詞：木質(zhì)電熱復合材料的電熱響應機理及性能研究

  更多相關文章： 木質(zhì)功能材料 碳纖維紙 電熱效應 響應機理 熱輻射

【摘要】：木質(zhì)電熱復合材料在電采暖制品領域具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化和市場前景。該新型功能材料是多學科交叉的產(chǎn)物,尚缺乏理論研究,實際生產(chǎn)及應用過程頻現(xiàn)諸如功率偏差大、發(fā)熱不均及電熱效應不穩(wěn)定等關鍵問題。通過研究揭示其制備過程及長期加載下的電阻演變規(guī)律、電熱效應及其響應規(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)電熱復合材料,系統(tǒng)研究其在短期及長期過載條件下對不同規(guī)格碳纖維紙、膠合材料、膠合因子及不同復合結(jié)構的電熱響應規(guī)律及其機理,并創(chuàng)新地采用碳纖維單絲制作電熱元件及其木質(zhì)復合電熱元件,從微米尺度分析了電熱效應及響應機制,形成較為系統(tǒng)的碳纖維木質(zhì)電熱復合材料電熱響應機制,主要獲得以下結(jié)論:(1)碳纖維紙的電熱效應機理:碳纖維紙依靠其中的碳纖維導電網(wǎng)絡結(jié)構通電制熱,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,搭接點發(fā)揮主要電熱效應;單絲中間區(qū)域發(fā)熱溫度較高。碳纖維單絲搭接電熱元件、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分布和搭接點間單絲長度的均勻度。單絲發(fā)熱溫度在長度方向呈現(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Gauss Amp方程曲線分布。加載30W/m單位功率時,10mm單絲長度中間區(qū)域溫差低于7℃的范圍為單絲中間的左右各2.5mm范圍,而垂直方向為單絲上下各1.5mm范圍。隨碳纖維單絲長度增加,長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)構中,圍繞搭接點溫度呈現(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規(guī)律性。在20~100℃范圍的熱-阻效應中,UFP呈現(xiàn)線性相關的負溫度系數(shù)(NTC)效應,FRP卻表現(xiàn)出分段的NTC和正溫度系數(shù)(PTC)效應。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,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)的動態(tài)熱力穩(wěn)定性。過載后電熱層中低聚物進一步交聯(lián)聚合,Tg提高;尤其FRP的增強效果顯著,Tg增大到132℃。同時,過載后碳纖維表面無序結(jié)構等缺陷在電-熱耦合作用下可能進一步氧化刻蝕,其物相結(jié)構趨于絮亂,但未能削弱其熱輻射性能。(4)碳纖維單絲膠合于木質(zhì)復合材料后DRR呈現(xiàn)負增長,表面溫度均勻度得到明顯改善,5min后基本達到最大溫升,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-阻效應中,均呈現(xiàn)NTC效應,100℃時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)構產(chǎn)生弛豫;同時,其表層規(guī)則及無規(guī)則結(jié)構被氧化刻蝕及剝離,致使單絲電熱元件TCF物相結(jié)構明顯趨于完善,因此加載過程中電阻發(fā)生波動,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。升壓過程,電熱層中電極底部及電極之間的導電通路增多,導電橫截面積增大,DRR與單位壓力呈現(xiàn)很高的線性相關度;保壓過程,DRR與時間呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關系。單位壓力對最終DRR的影響不顯著;施膠量對DRR有極顯著的影響,呈現(xiàn)良好的線性下降關系;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、脆弱的“壁壘”,過載后DRR保留率就越高;同樣,施膠量增大也促進“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呈現(xiàn)線性和冪函數(shù)關系。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提高板面升溫速度及溫升,板面實現(xiàn)20℃溫升最長可縮短3min,板底最高可降低6℃。(8)木質(zhì)電熱復合材料加載500W/m2時,法向全發(fā)射率高于0.87,電-熱輻射轉(zhuǎn)換效率最高達到82.27%,熱輻射紅外波集中于4~25μm波長范圍;隨電熱層移向中間層,電-熱輻射轉(zhuǎn)換效率逐漸降低,最大降低了10%。這是因為電熱輻射效應在“輻射-吸收-再輻射-再吸收”的輻射傳熱過程產(chǎn)生了吸收損耗。
【關鍵詞】：木質(zhì)功能材料 碳纖維紙 電熱效應 響應機理 熱輻射
【學位授予單位】：中國林業(yè)科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB33
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-21
• 第一章 緒論21-36
• 1.1 引言21-32
• 1.1.1 研究背景21-22
• 1.1.2 國內(nèi)外室內(nèi)電采暖技術研究進展22-23
• 1.1.3 碳纖維電熱特性的研究進展23-24
• 1.1.4 碳纖維復合材料電熱性能的研究進展24-26
• 1.1.5 木質(zhì)電熱復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀26-31
• 1.1.6 木質(zhì)電熱復合材料的發(fā)展趨勢31-32
• 1.2 研究目標和主要研究內(nèi)容32-35
• 1.2.1 關鍵的科學問題和研究目標32-33
• 1.2.2 主要研究內(nèi)容33-35
• 1.3 技術路線35-36
• 第二章 碳纖維紙的電熱效應及機理36-59
• 2.1 試驗材料與方法37-42
• 2.1.1 試驗材料37
• 2.1.2 試驗設備37-38
• 2.1.3 試驗方法38-41
• 2.1.4 性能測試41-42
• 2.2 結(jié)果與分析42-57
• 2.2.1 四種碳纖維紙的電熱效應42-45
• 2.2.2 碳纖維紙的熱輻射性能與其物相結(jié)構45-47
• 2.2.3 碳纖維紙的電熱效應機理47-57
• 2.3 小結(jié)57-59
• 第三章 不同膠合體系木質(zhì)電熱復合材料的電熱響應59-80
• 3.1 試驗材料與方法59-62
• 3.1.1 試驗材料59-60
• 3.1.2 試驗設備60
• 3.1.3 試驗方法60-61
• 3.1.4 性能測試61-62
• 3.2 結(jié)果與分析62-78
• 3.2.1 不同膠合材料電熱層的電阻下降率62-65
• 3.2.2 長期過載的電熱效應65-67
• 3.2.3 長期過載的電/熱-阻效應機理67-75
• 3.2.4 長期過載電熱材料的熱輻射性能及物相結(jié)構演變75-78
• 3.3 小結(jié)78-80
• 第四章 碳纖維單絲在木質(zhì)復合材料中的電熱響應機理80-99
• 4.1 試驗材料與方法81-84
• 4.1.1 試驗材料81
• 4.1.2 試驗設備81
• 4.1.3 試驗方法81-82
• 4.1.4 性能測試82-84
• 4.2 結(jié)果與分析84-98
• 4.2.1 碳纖維單絲在木質(zhì)膠合體系中的電熱響應84-87
• 4.2.2 碳纖維單絲膠合電熱元件的電阻響應87-92
• 4.2.3 碳纖維單絲膠合電熱元件加載不同功率的物相結(jié)構演變92-98
• 4.3 小結(jié)98-99
• 第五章 木質(zhì)電熱復合材料電熱效應對膠合因子的響應機理99-123
• 5.1 試驗材料與方法100-102
• 5.1.1 試驗材料100
• 5.1.2 試驗設備100
• 5.1.3 試驗方法100-101
• 5.1.4 性能測試101-102
• 5.2 結(jié)果與分析102-121
• 5.2.1 熱壓復合過程電阻的演變及規(guī)律分析102-105
• 5.2.2 電阻變化率對膠合因子的響應規(guī)律105-108
• 5.2.3 電阻變化率對膠合因子的響應機理分析108-114
• 5.2.4 木質(zhì)電熱復合材料的電熱穩(wěn)定性對膠合因子的響應分析114-117
• 5.2.5 木質(zhì)電熱復合材料的熱輻射性能對膠合因子的響應分析117-119
• 5.2.6 木質(zhì)電熱復合材料的理化性能對膠合因子的響應分析119-121
• 5.3 小結(jié)121-123
• 第六章 不同結(jié)構木竹電熱復合材料的電熱及理化性能123-148
• 6.1 試驗材料與設備123-124
• 6.2 木竹電熱復合材料的結(jié)構設計與制備124-126
• 6.2.1 多層實木復合電熱材料的結(jié)構設計與制備工藝124
• 6.2.2 纖維板復合電熱材料的結(jié)構設計與制備工藝124-125
• 6.2.3 木竹復合電熱材料的結(jié)構與制備工藝125
• 6.2.4 木竹復合電熱材料的傳熱結(jié)構優(yōu)化125-126
• 6.3 性能測試126-127
• 6.3.1 電熱性能126
• 6.3.2 理化性能126
• 6.3.3 熱輻射性能126-127
• 6.4 結(jié)果與分析127-146
• 6.4.1 木竹電熱復合材料的電熱性能分析127-134
• 6.4.2 不同結(jié)構木竹電熱復合材料的熱輻射性能分析134-136
• 6.4.3 木竹電熱復合材料的傳熱理論分析136-140
• 6.4.4 木竹電熱復合材料的傳熱結(jié)構優(yōu)化140-143
• 6.4.5 木竹電熱復合材料的理化性能143-146
• 6.5 小結(jié)146-148
• 第七章 結(jié)論與建議148-153
• 7.1 結(jié)論148-151
• 7.1.1 碳纖維紙的電熱效應及機理148-149
• 7.1.2 不同膠合體系木質(zhì)電熱復合材料的電熱響應149
• 7.1.3 碳纖維單絲在木質(zhì)復合材料中的電熱響應機理149-150
• 7.1.4 木質(zhì)電熱復合材料電熱效應對膠合因子的響應機理150
• 7.1.5 不同結(jié)構木竹電熱復合材料的電熱及理化性能150-151
• 7.2 創(chuàng)新點151-152
• 7.3 建議152-153
• 參考文獻153-163
• 索引163-168
• Index168-174
• 在讀期間的學術研究174-176
• 導師簡介176-177
• 致謝177

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本文編號：806097