碳纖維發(fā)熱線溫升特性研究

張永超，趙錄懷，徐 微

（1.西安交通大學城市學院，陜西西安710018；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西西安710049）

碳纖維是國民經(jīng)濟與國防軍工的重要戰(zhàn)略物資，屬于技術密集型關鍵材料，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術和產(chǎn)品也逐漸普及。在當今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化[1]。碳纖維發(fā)熱線由碳纖維編繞而成，發(fā)熱線具有強度高、質量輕、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小、電熱轉換效率高、功耗低、使用壽命長，并且具有安全性能好、綠色環(huán)保、能夠耐2 000 ℃高溫等特點，且具有良好的導電性能[2-4]。在使用過程中電磁輻射波為零，不易斷裂、氧化、脫落，且更換方便[5]。21世紀，碳纖維發(fā)熱體替代金屬發(fā)熱體將成為一種必然的趨勢[6-8]。

綜合現(xiàn)有參考文獻，僅有少量對碳纖維發(fā)熱線的發(fā)熱特性進行研究。本文對常用的兩種規(guī)格、不同長度碳纖維發(fā)熱線進行了溫升試驗，研究了溫度、電流、電壓和溫升時間的變化規(guī)律，其研究成果將為碳纖維的應用提供工程參考。

1 試驗設計

本文主要研究常用的兩種規(guī)格發(fā)熱線在空氣中工作時的溫度、電流、電壓和溫升時間的變化規(guī)律，為此，設計了兩類試驗。

（1）在額定電壓220 V下，測量其溫度、電流、電壓和溫升時間的變化規(guī)律。

（2）在200、220、240 V 電壓下，測量其溫度和溫升時間的變化規(guī)律。

2 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗材料及儀器

3K（3 000 根）的鐵氟龍（碳纖維發(fā)熱線的包皮）碳纖維發(fā)熱線，長度分別是4、5、6 m；6K的硅膠（碳纖維發(fā)熱線的包皮）碳纖維發(fā)熱線，長度分別是6、7、8 m；三相交流調壓器其型號為TDGC2-3KVA；福祿克（FLUKE）F62MAX 紅外測溫儀，測量溫度范圍-30～5 000 ℃，萬用表型號為FY890D。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

（1）額定電壓220 V 下其最高溫度、電阻、功率和溫升時間。在環(huán)境溫度為23.1 ℃的空氣中給3K 型4 m發(fā)熱線通電，利用F62MAX測量發(fā)熱線的表面溫度，每0.5 min 計錄1 次溫度計數(shù)據(jù)，溫度達到穩(wěn)態(tài)時記錄萬用表電流，通電10 min 后斷電，得到第一組數(shù)據(jù)。進行下次試驗時，絲束至少斷電1 h 待完全冷卻后進行，重復第一次試驗10 次，得到10 組200 個數(shù)據(jù)，剔除粗大誤差后求平均值，其他發(fā)熱線與3K-4 m發(fā)熱線試驗方法相同。發(fā)熱線的試驗結果如表1所示，總功率按照U2/R計算，溫升時間為溫度從通電到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。

由表1 可知，對于同一型號的發(fā)熱線，長度和電阻、溫升時間成正比，和最高溫度、功率成反比。

表1 220 V電壓發(fā)熱線試驗結果

（2）測量碳纖維發(fā)熱線最高溫度時的電流。溫度達到穩(wěn)態(tài)時記錄萬用表電流數(shù)據(jù)，測量10 次，剔除粗大誤差，求其平均值。通過實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，同一規(guī)格不同長度碳纖維發(fā)熱線電流的變化小于0.01 A。因此，本文只列3K-4 m和6K-6 m伏安特性試驗數(shù)據(jù)擬合曲線如圖1所示，發(fā)熱線長度和電流的關系式如表2所示，x代表碳纖維發(fā)熱線供電電壓，y代表碳纖維發(fā)熱線最高溫度時的電流。由表2 和圖1 可知，碳纖維發(fā)熱線最高溫度時的伏安特性近似呈線性分布。

圖1 3K-4 m、6K-6 m最高溫度時的伏安特性曲線

表2 3K-4 m、6K-6 m最高溫度時的伏安特性關系

（3）測量碳纖維發(fā)熱線在不同電壓下工作，時間和溫度變化規(guī)律。在環(huán)境溫度為23.1 ℃的空氣中給發(fā)熱線通電，分別在200，220，240V 下工作，測量3K-4 m、3K-5 m、3K-6 m，6K-6 m、6K-7 m、6K-8 m時間和表面溫度變化規(guī)律。利用F62MAX 測量某一個發(fā)熱線的表面溫度，每0.5 min計錄1次溫度計數(shù)據(jù)，通電10 min后斷電，得到第一組數(shù)據(jù)。進行下組試驗時，絲束至少斷電1 h完全冷卻后進行，重復上一組試驗10次，得到某一個碳纖維發(fā)熱線10 組共200 個數(shù)據(jù)，剔除粗大誤差后求平均值，其他發(fā)熱線也采用相同的試驗方法。數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2 碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時間變化規(guī)律，同時得到各碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時間關系如表3所示。

表3 鐵氟龍?zhí)尖F維發(fā)熱線3K-4 m不同電壓下溫升與通電時間關系

由MATLAB 擬合函數(shù)可知擬合的可信度為95%，具有較高的精度。在實際工作中，可以根據(jù)升溫需要，計算通電時間，以便于電腦自動控制，也有利于節(jié)約能源，降低成本。表中的x代表通電時間，y代表升高溫度。

圖2 碳纖維發(fā)熱線電壓、溫度與時間變化規(guī)律

3 結 語

（1）同一型號的碳纖維發(fā)熱線，長度和最高溫度、功率成反比，和電阻、溫升時間成正比。

（2）得到了碳纖維發(fā)熱線溫度、電流、電壓、溫升時間的變化規(guī)律，其研究成果將為碳纖維的應用提供工程參考。

（3）實際工程應用時，要根據(jù)所在區(qū)域的環(huán)境條件進行設計考慮，并可通過調節(jié)電壓來調控輸出功率和溫度。