碳纖維發熱布的設計與開發

陳承忠

碳纖維發熱布的設計與開發

陳承忠

（浙江慶元賽博電子科技有限公司，浙江 麗水 323000）

碳纖維屬于非金屬導電材料，有著一般的碳素材特性，實際應用的過程中可以表現出良好的導電導熱耐腐蝕特性，可以加工成各種織物，分析了碳纖維發熱布的設計開發。

碳纖維；發熱布；設計開發；設計原則

1 碳纖維電熱性能

1.1 應用特點

碳纖維是一種其他導電材料，具有普通碳材料的耐高溫、耐磨、導電、導熱和耐腐蝕的特點。與普通的碳材料不同，它具有精致柔軟的外觀，可以粗加工成各種織物材料，在制造業和日常生活中具有廣闊的發展前景。在碳纖維及其合金的基本材料中，碳纖維結構是最導電的材料。它的導電機理不同于其他合金材料，并且取決于非局部特性。碳化和石墨化溫度降低的幅度越大，石墨碳層越發達，系統形成鍵的非局部區域越大，電導率越好，整體導熱性和散熱性就越好。碳長纖維的性能以及電加熱器的開關效率超過90%，節能環保效果非常顯著，可以嘗試避免熱量積聚和過熱的突然發生，進而延長使用壽命。

1.2 性能優勢

碳釬焊加熱電纜中的碳植物纖維由直接進口的所有其他材料制成，再加上柔軟細膩、更具彈性的硅橡膠、玻璃纖維復合材料線和鍍錫銅線，絕緣并編織成。該過程非常復雜，并且安全性能高。在電源電路的其他工作條件下，操作后電壓為50 mA時，不會損壞碳焊料和涂層材料。金屬加熱電纜通常使用聚氯乙烯作為護套，其耐高壓性和耐彎曲性較差。碳釬焊和稍微加熱的通信電纜使用金屬材料和其他材料作為原材料，因此可以保證輕型加熱體的使用壽命達1 000年。外導體保護膜由硅橡膠、玻璃纖維復合材料線和鍍錫銅線制成，可保證實際使用壽命超過50年。在相同條件下，碳纖維加熱的高壓電纜的實際壽命比純金屬通訊電纜的實際壽命更長。打開或關閉合金加熱電纜時，會導致各種金屬成為真實材料。它不會產生最重要的瞬時功率輸出，并且功率也可能超過額定輸出峰值功率的2倍。此外，完全啟動后，如果在一定時間內未超過額定輸出，其他工作將繼續供電。在達到額定功率之前，將恢復其他功能，然后將正常額定值恢復為其他額定功率。由于碳纖維復合加熱電纜中沒有新的強電流脈沖，因此它將在完全啟動和所有停機期間保持良好的額定輸出功率，并在運行后保持額定功率，并且不會瞬間產生最重要的峰值功率。

2 設計原則

2.1 發熱性能穩定性

碳纖維加熱纖維布在使用過程中可以保持相同的電阻值，并且可以提供不變的加熱功率。在實際數據的2個生產過程中，碳纖維電熱布的電阻值會由于許多重要因素的影響而發生變化，例如在使用過程和生產過程中選擇的原材料，因此必須對其進行測試，在拉力、壓痕、壓力等明顯變形作用下的擠壓變形也必須通過變形試驗。該試驗應通過交替的溫度和空氣濕度試驗、冷熱循環期間的熱疲勞試驗以及汗滴和大雨的侵蝕來承受。因此，在碳纖維結構電加Zasan的獨特設計中，應充分考慮影響大電阻值的其他這些因素，以確保整體加熱性能的相對穩定性。

2.2 顯熱溫度均勻性

加熱室中溫度的施加均勻性意味著加熱區域中的加熱溫度均勻下降。如果加熱室內的溫度差異更加嚴重，則加熱布局可能會燒穿，甚至引起嚴重的燒傷。碳纖維結構絲的厚度的均勻性和碳化度的溫度分布的均勻性對加熱度的均勻性有影響。由于接觸不良，金屬材料線和埋入的纖維結構線之間的連接點通常由于加熱不均勻而不均勻。在詳細設計碳纖維長電加登珠燈時，應當選擇碳化分布均勻，碳纖維結構絲涂層均勻的非發熱體。碳素植物纖維絲均勻地分布在加熱布的表面上，并且間隔以合理的方式排列，纖維絲可以穩定連接。

2.3 安全、舒適性

一些碳纖維發熱元件的電壓值和輸出功率對于使用 220 V輸出電流的發熱元件是安全的，即在36 V和輸入電壓的安全下使用本標準。還必須考慮局部低溫燃燒損失的發生，以確保完全安全。但在詳細設計碳纖維結構電熱布時，應考慮電熱布的阻燃性能和電氣安全保證。與其他碳纖維電熱元件（如碳紙、涂層工藝電熱元件、電熱膜等）相比，碳纖維電熱布具有柔軟、細膩、輕便、透氣等突出優點，用于日常生產過程中可以表現出良好的特性。

3 結構設計

3.1 原料選擇

碳植物纖維絲是加熱布的核心，與金屬材料線交織在一起，形成非導電加熱電路的主體。在輸入電壓下會產生傳導熱。碳纖維結構線和純金屬線由西通紗組成。碳線和纖維線在所有間隔內都嵌入到織物材料的緯線方向，金屬線沿翹曲方向分布在導電加熱布的兩側。碳纖維電加登珠的結構表明，該織物具有不同的色織收縮率。兩根經紗（金屬絲和針織牛仔布）和兩根緯紗（碳纖維紗和其他紗線）。設計方法和垂直面料會帶來很多困難，以下描述了碳纖維短纖導電加熱墊的一些設計要點。參照整個市場上32 cm×32 cm加熱墊的規格比較，設計匹配的輸出功率為45 W，輸出電流為 12 V。加熱其他材料時，可以根據上述設計方法的要求選擇相同的類型或不同的類型。碳素植物纖維的值和相同寬度可以滿足不同的需求。選擇高質量的3K濕紡基碳纖維和連續長絲纖維作為加熱墊的加熱元件，其電阻值為1.5 Ω。

3.2 基體織物選配

碳纖維結構短絲和細銅絲是可實現加熱布基本功能且不可替代的主要材料。為了確保最佳的傳導加熱效果和針織物的光滑表面，有必要根據碳纖維的銅線和銅線來選擇和匹配基布紗線，即碳纖維的強度和剛度。基本金屬織物的經紗應接近鋁線的剛度，緯紗的徑向剛度應接近碳纖維結構的短纖維的剛度，以防止相同的聚酯纖維不同的比例。但是，碳纖維絲和纖維絲在織物的背面都是圓形的，并且金屬絲也起皺。在使用該標準的過程中，加上碳纖維的電加熱，長碳纖維周圍的溫度非常高，在選用構成基本紡織品的經緯紗時，必須選用熱控性好的植物纖維棉紗，以防止長期高溫加熱引起的熱收縮和織物材料的綜合性能降低，導致織物產生安全隱患，造成碳纖維結構電熱布的問題。雖然局部高溫和燃燒性能很小，但出于安全考慮，有必要綜合考慮使用。個人推薦選用阻燃滌綸紗或碳纖維電熱布進行阻燃收集整理。聚酯的初始模量很高，特別是高強度、低伸長率的聚酯。雖然在負荷下容易變形，但織物下面的機械緯紗是斜的，它可以更有效地防止碳絲彎曲并在金屬絲上逐漸形成皺紋。另外，下降至普通玻璃化轉變室的聚酯的溫度為67 ℃，并且加熱基體的加熱溫度通常約為40 ℃。這可以滿足人類新陳代謝的需求，比較自然舒適。它低于攝氏聚酯的玻璃化轉變溫度，并且織物在使用過程中的彎曲和變形能力非常小。因此，加熱座墊的底布的經紗和緯紗使用106.3tex聚酯低彈性紗。

3.3 織物組織設計

銅線紡織結構的選擇應在接觸之前考慮銅線與碳纖維結構線之間的緊密接觸。請使用紗羅結構或平紋組織。為了減少機器的復雜性，可以選擇碳纖維結構和底布、與底布相同的薄紙，并通過機織布和斜紋編織設計相關的組織，減少損壞。為了單獨確保加熱室內溫度的混合均勻性，碳纖維和纖維絲之間的距離不應太大，它們中的大多數為13 cm。加熱的座墊的織物結構是編織、碳和纖維。可以綜合考慮碳長纖維絲和鐵絲的直立強度和剛度而根據不同的特定目的設計電加熱布的其他規格，并且它不應太獨特而不能成為特別緊湊的結構。

4 性能測試

在GA747桿織機上，測試并編織了用于加熱座墊的碳長纖維加熱布。同時，兩個加熱布在兩個寬度方向上延伸。后梁的實際高度為9 cm。劍桿織機進入棚子的時間為800 s，劍桿織機離開棚子的時間為2 800 s，織機速度為180 r/min，緯紗密度為23齒，相對濕度平穩編織過程影響很大。當紗線低時，羊毛紗線會嚴重斷裂，無法正常編織，因此需要加濕，使濕度始終保持至少70%。銅線僅由紗架發送。尼龍低彈絲的最大張力不應太大。原則上，它可以確保開口是透明的，從而減少了由于較低的針織收縮率而導致的織物表面不規則性。短碳纖維不通過緯紗進給器，以增加短碳植物纖維的表面磨損。碳纖維絲的夾緊力可以通過各種良好的彈性夾具和導輪進行調節。為了加強對表面光滑的碳纖維短纖維的控制，應選擇夾緊力大的劍作為矛尖。關閉機器后，可以將加熱布加熱到比室溫低16.5 ℃的溫度，完全可以達到預設部件設計的峰值功率范圍。額定功率為42 W，碳纖維的加熱溫度降至43～44 ℃。而且布的平均溫度下降到37～38 ℃可以持續較長時間相對穩定。利用自身碳的特性和纖維的導電發熱，設計并開發了自主研發的碳纖維非導電發熱布，具有廣闊的市場前景。根據以上內容，有不同的使用要求。有許多方法可以合理地配置碳纖維結構細絲和銅線的總數，可以詳細設計。工廠在不同的輸出電壓下會產生少量輸出的不同功率和高功率。針織物可用作人體功能加熱和保健的熱源和材料。

5 結束語

應用碳纖維導電發熱特性設計的碳纖維導電發熱布有著廣闊的市場前景，結合不同的應用需求可以具體設置銅絲數量長度以及碳纖維絲數量長度，進而就能夠設計出不通電壓不同功率條件下的發熱織物。

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2095－6835（2020）20－0055－02

TS176

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.021

陳承忠（1973—），男，浙江慶元人，1999年畢業于哈爾濱理工大學（自學考試），機電工程師，2005年至今任職于浙江慶元賽博電子科技有限公司，總經理，主要研究碳纖維發熱體材料、遠紅外健康理療等產品。

〔編輯：王霞〕