碳纖維用作紅外加熱籠電熱輻射材料的可行性研究

徐 飛，李玉忠，楊萬青，李智生，崔立軍

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

碳纖維用作紅外加熱籠電熱輻射材料的可行性研究

徐 飛，李玉忠，楊萬青，李智生，崔立軍

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

文章提出采用碳纖維作為紅外加熱籠的加熱體，并開展了碳纖維加熱條帶的加工工藝及試驗研究。確定了碳纖維加熱條帶的結構形式，試驗測量了其各項技術指標。對測量數據分析表明，碳纖維作為加熱籠的加熱體是完全可行的，且具備電熱輻射效率高、免噴涂黑漆、易于裝配、可重復使用、經濟性強等諸多優點。

碳纖維；電熱輻射；紅外加熱籠

0 引言

航天器地面試驗用紅外加熱籠（以下簡稱“加熱籠”）是一種紅外熱流模擬試驗裝置[1]。傳統的加熱籠采用鎳鉻合金帶涂黑漆作為加熱體，在裝配前須噴涂黑漆、裁剪成條帶，裝配時還需用彈簧掛接、點焊固定等工序，大多為手工操作，費力耗時。

鑒于金屬加熱籠存在的不足，對非金屬加熱籠的研究應運而生。碳纖維復合材料已廣泛應用于航空航天領域[2]，是一種發射率接近黑體特性的碳材料，具有高比強度、高比模量、高電熱輻射效率等突出的電熱性能優勢[3]，同時其在高低溫環境中的熱膨脹系數幾乎為0，恰好能夠適應空間冷熱交變的復雜熱輻射環境。近年來有文獻研究了加熱籠條帶雙面噴涂黑漆以提高其電熱性能，獲得了良好的低溫效果[4]，但沒有改變加熱體制作費力耗時的局面。本文采用碳纖維材料作為加熱條帶，正是基于其雙面近黑體所具有的很多優勢，包括高低溫性能好（熱膨脹系數幾乎為0，可不考慮熱脹冷縮的補償措施）、不用涂敷黑漆（既不用考慮長期使用的脫落問題，也有利于真空的保持）、使用中沒有銹蝕問題、重量輕等。基于這些優勢，本文開展了碳纖維材料作為加熱籠加熱體的工藝探索和設計研制。

1 碳纖維加熱條帶研制

為適應空間模擬試驗的冷熱環境要求，需要對碳纖維多股編織加熱條帶的外型及基本參數進行設計，以滿足以下幾點要求：

1）碳纖維絲束抱合結構致密、無單絲斷裂，可任意彎折；

2）電阻值可調（通過絲束參數的調整等可實現2～10 ?/m之電阻值可調）；

3）在試驗環境下碳纖維外觀與性能不發生改變；

4）具有良好的紅外輻射效率和電熱轉換效率。

1.1 外形設計

本文選用的碳纖維原料，其單絲直徑在 5～7 μm，碳纖維成品一般呈束狀，如圖1所示。

圖1 呈絲束狀的碳纖維成品Fig.1 Finished product of carbon fiber under threadlike condition

從圖1來看，碳纖維的抱合性不是很好，若直接使用會出現單絲纖維劈裂或斷絲，則必定對加熱條帶的成型極為不利：第 1，可能會造成接線部位接觸不良；第2，會引起電阻值不穩定；第3，會出現碳纖維加熱條帶紅外輻射熱流密度不均勻；第 4，會縮短加熱籠的使用壽命。通過編織的方式形成多股碳纖維絲束的結構，如圖2所示。

圖2 多股碳纖維絲束編織結構Fig.2 Strip structure woven by multi-compound yarn carbon fiber

1.2 電阻匹配設計與力學特性設計

在編織結構設計中，可通過單股絲束中的單絲數量、合股數的調整，來滿足加熱條帶的電阻要求：即2～10 ?/m的電阻值。如果需要更小的電阻值，則可將編織的碳纖維條帶并聯使用。

碳纖維加熱條帶具備一定的韌性和彈性，滿足加熱籠的裝配要求，能適應拐角位置的彎折、扭曲。另外，在加熱試驗中，足夠的韌性和彈性可抵抗熱脹冷縮的尺寸變化。

1.3 質量損失測量

加熱籠工作時為真空環境，按照QJ 1558標準[5]即材料在真空中揮發性能測試方法，對目前加熱籠所用黑漆與碳纖維加熱條帶分別在真空環境下進行質量損失測量。其中黑漆樣品的制作是將黑漆噴涂到玻璃上，自然晾干后刮下黑漆作為測試樣品。

試驗時，真空度為4×10-4～1×10-3Pa，試驗溫度125 ℃，收集板凝結溫度25 ℃，將樣品置于真空中放氣24 h。天平的測量精度為10-5g。將黑漆樣品與碳纖維條帶樣品各分成3份，每份均進行3次測量并取平均值，將試驗前、后質量差比上試驗前質量減去皮重，即得質量損失百分比。試驗數據見表1。由表1數據可得，在真空環境下，碳纖維加熱條帶的質量損失百分比小于黑漆的。

表1 碳纖維編織加熱條帶與黑漆的真空質損測量結果對比Table1 Comparison of mass loss of the woven strips between multi-compound yarn carbon fiber and black paint

1.4 紅外發射率測試

測試波段2500～15 000 nm，結果見圖3。由圖可見，碳纖維編織條帶在小于8000 nm波段的發射率基本在0.9以上，而在8000～15 000 nm波段范圍內的發射率也在 0.85以上。通過計算，其測試波段內的總發射率達到0.91。因此，用碳纖維編織加熱條帶作為加熱籠的加熱體可以滿足紅外外熱流模擬要求。

圖3 碳纖維編織加熱條帶的發射率測試Fig.3 Spectral emissivity test of the woven strips of multi-compound yarn carbon fiber

1.5 電熱性能測試

在負載條件下對碳纖維加熱條帶的電熱性能進行了測試，結果如圖4所示。由圖可知，隨著加載電流的升高，其表面溫度呈現近似線性增大，當電流在4 A以上時，表面溫度超過了300 ℃。這說明碳纖維加熱條帶具有較好的電熱性能，可滿足空間環境熱流的模擬要求。

圖4 碳纖維加熱帶的表面溫度與加載電流的變化關系Fig.4 The relationship between surface temperature and heating current of the carbon fiber woven strips

1.6 綜合性能指標

碳纖維加熱條帶的綜合性能包括高低溫下的質量和力學的穩定性、可加工裝配性、電熱性能、經濟性、可獲得性以及熱輻射性能等，具體指標如表2所示。

表2 碳纖維加熱條帶的性能指標Table 2 The performance indexes of the carbon fiber woven strips

2 熱真空試驗驗證

2.1 碳纖維加熱籠的研制

碳纖維加熱條帶無須彈簧掛接，因此對于支撐骨架的力學要求很低，可用鋁合金材料完全替代目前的不銹鋼。由于本文關注之處不在于此，故仍選用不銹鋼材料作為骨架。考慮到碳纖維180°彎折容易斷絲，因此在骨架兩端加裝了聚四氟滑輪，采用小角度斜拉的方式進行安裝固定。電接線端口采用螺釘壓接銅片的方式，其實螺釘也起到電接線端的作用。整個加熱籠分為3個加熱回路，第1個回路的加熱條帶間距為30 mm，第2、第3個回路的加熱條帶間距為50 mm。

2.2 KM2B真空設備內的試驗驗證

為了對比試驗，在距離加熱籠150 mm處放置1塊涂了黑漆的鋁板，其上布置了測溫點和熱流計。同樣，在加熱籠的碳纖維加熱條帶上也布置了測溫點。加熱電流從0.5 A開始逐漸增至3.5 A，試驗過程均沒有出現短路或局部過熱等問題。電流加載曲線如圖5所示。

圖5 電流加載曲線Fig.5 The current loading curve

2.3 結果分析

碳纖維加熱籠的的測溫點測量結果如圖6所示。

圖6 加熱籠的溫度測量結果Fig.6 The temperature test results of the heating cage

在鋁板上共布置了4個熱流計，其測量結果如圖7所示，與圖6很相似。當電流為3 A時，碳纖維條帶溫度已高于300 ℃，超出了測量計的測量量程，因此，無法進行更大加熱電流的試驗。

圖7 鋁板上4個熱流計的測量結果Fig.7 The test results of the four heat flow meters on the aluminium plate

將熱流計測得的數據代入斯忒藩-玻耳茲曼公式，可計算得到熱流密度：當加熱電流為3.5 A時，熱流密度達到 1 040.91 W/m2。這說明碳纖維材料具有高效的紅外輻射能力，完全可以滿足目前熱試驗的熱流密度模擬要求。

3 結束語

本文從加熱籠的使用需求出發，結合碳纖維材料的自身特性，開展了碳纖維加熱籠的研制試驗，取得了預期的效果，證明了將碳纖維用作加熱籠加熱體的可行性。接下來的工作是探索新型碳纖維加熱籠在航天器地面試驗領域的應用研究。

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[1]黃本誠, 馬有禮.航天器空間環境試驗技術[M].北京: 國防工業出版社, 2002: 51-52

[2]曹偉偉, 朱波, 蔡殉, 等.碳纖維電熱元件配置及其輻射熱流密度分布的模擬研究[J].功能材料, 2010, 41(增刊1): 130-135 CAO W W, ZHU B, CAI X, et al.The simulation study of radiative heat flux intensity distribution with different assignments of carbon fiber electric heating elements[J].Journal of Functional Materials, 2010, 41(sup 1): 130-135

[3]曹偉偉, 朱波, 王成國.碳纖維電熱元件輻射強度分布的數值模擬[J].機械工程學報, 2007, 43(7): 6-10 CAO W W, ZHU B, WANG C G.Numerical simulation on the radiation intensity distribution of carbon fiber infrared electric heating radiator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(7): 6-10

[4]楊曉寧, 龔潔, 路朝霞.加熱帶雙面涂黑漆對熱真空試驗中低溫實現的作用[J].航天器環境工程, 2004, 21(3): 16-22 YANG X N, GONG J, LU Z X.Approach of facilitating low temperature mode using heat strips black-coated on two sides in thermal vacuum test[J].Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(3): 16-22

[5]真空中材料揮發性能測試方法: QJ 1558—1988[S]

（編輯：肖福根）

The feasibility of using carbon fiber as electro-thermal radiant material for infrared heating cage

XU Fei, LI Yuzhong, YANG Wanqing, LI Zhisheng, CUI Lijun
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The feasibility of using carbon fiber as the electro-thermal radiant material for the infrared heating cage is investigated.The processing technology study and the experimental research of the carbon fiber heating strips are carried out.The structure of the carbon fiber heating strips is designed, and all the specifications are tested.Analysis of the measured data proves that using carbon fiber as the electro-thermal material for infrared heating cage is absolutely feasible, with many advantages such as high electro-thermal radiant efficiency, without the need of black-coating, easy to assemble, recyclable and low cost.

carbon fiber; electro-thermal radiation; infrared heating cage

V416.5

：A

：1673-1379(2016)06-0668-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.017

徐 飛（1983—），男，主要從事空間環模工裝設備研制等工作。E-mail: buaaxf@163.com。

2016-01-21；

：2016-09-05

北京衛星環境工程研究所資助工藝課題“紅外加熱籠用碳纖維替換鎳鉻帶的可行性研究”