木质电热复合材料的电热响应机理及性能研究

发布时间：2017-09-06 23:32

  本文关键词：木质电热复合材料的电热响应机理及性能研究

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【摘要】：木质电热复合材料在电采暖制品领域具有广阔的产业化和市场前景。该新型功能材料是多学科交叉的产物,尚缺乏理论研究,实际生产及应用过程频现诸如功率偏差大、发热不均及电热效应不稳定等关键问题。通过研究揭示其制备过程及长期加载下的电阻演变规律、电热效应及其响应规律,可为改善功率偏差、电热稳定性及均匀性提供直接的理论参考。本论文采用碳纤维纸作为电热材料,制备电热膜和木质电热复合材料,系统研究其在短期及长期过载条件下对不同规格碳纤维纸、胶合材料、胶合因子及不同复合结构的电热响应规律及其机理,并创新地采用碳纤维单丝制作电热元件及其木质复合电热元件,从微米尺度分析了电热效应及响应机制,形成较为系统的碳纤维木质电热复合材料电热响应机制,主要获得以下结论:(1)碳纤维纸的电热效应机理:碳纤维纸依靠其中的碳纤维导电网络结构通电制热,包括碳纤维单丝和单丝搭接电热单元。其中,单丝搭接界面接触电阻平均约为71.4Ω,搭接点发挥主要电热效应;单丝中间区域发热温度较高。碳纤维单丝搭接电热元件、单丝电热元件和碳纤维纸的温升与功率均呈现良好的线性关系;随加载功率的增加,单丝搭接电热元件温升的提高速率最大。(2)碳纤维纸电热温度分布机制:碳纤维纸电热温度分布均匀性取决于其中碳纤维单丝及单丝搭接点分布和搭接点间单丝长度的均匀度。单丝发热温度在长度方向呈现较好的一元二次方程抛物线分布,垂直方向温度随距离呈现较好的Gauss Amp方程曲线分布。加载30W/m单位功率时,10mm单丝长度中间区域温差低于7℃的范围为单丝中间的左右各2.5mm范围,而垂直方向为单丝上下各1.5mm范围。随碳纤维单丝长度增加,长度上均匀程度明显提高,而垂直方向没有明显改善。在搭接结构中,围绕搭接点温度呈现一定聚集,7℃温差范围缩小。(3)三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)比环氧树脂半固化片(PP)制备的电热材料(分别为UFP和FRP)电阻下降率(DRR)高,且UFP具有较优的耐电-热耦合老化作用和响应规律性。在20~100℃范围的热-阻效应中,UFP呈现线性相关的负温度系数(NTC)效应,FRP却表现出分段的NTC和正温度系数(PTC)效应。在1000W/m2功率密度过载13h过程中,两种电热材料均呈现NTC效应,UFP电阻比FRP稳定;但断电瞬间和冷却后,UFP的DRR分别为4.1%、1.4%,高于FRP(2.5%、0.04%)。UFP电热层中木-胶-碳纤维纸界面融合较好,玻璃化转变温度Tg大于250℃,比FRP(113℃)具有更优的动态热力稳定性。过载后电热层中低聚物进一步交联聚合,Tg提高;尤其FRP的增强效果显著,Tg增大到132℃。同时,过载后碳纤维表面无序结构等缺陷在电-热耦合作用下可能进一步氧化刻蚀,其物相结构趋于絮乱,但未能削弱其热辐射性能。(4)碳纤维单丝胶合于木质复合材料后DRR呈现负增长,表面温度均匀度得到明显改善,5min后基本达到最大温升,且40min内温度平稳。加载20W/m单位功率13h过程中,温升浮动1℃左右;断电冷却后,MUF胶合电热元件的电阻降低了2.01%,PP胶合电热元件电阻反而增大了0.35%,表明单丝在电流作用下其结构和电阻发生了变化。(5)MUF、PP单丝胶合电热元件在20~100℃范围的热-阻效应中,均呈现NTC效应,100℃时DRR分别为4.54%、5.07%。单丝在连续加载10~40W/m过程,因密度高达1.30×108~2.34×108A/m2的电流作用,可能使碳纤维石墨化激活能降低,非晶态结构产生弛豫;同时,其表层规则及无规则结构被氧化刻蚀及剥离,致使单丝电热元件TCF物相结构明显趋于完善,因此加载过程中电阻发生波动,也将影响其热辐射性能。(6)胶合过程中电阻始终呈现有规律的下降趋势。升压过程,电热层中电极底部及电极之间的导电通路增多,导电横截面积增大,DRR与单位压力呈现很高的线性相关度;保压过程,DRR与时间呈现指数函数关系。单位压力对最终DRR的影响不显著;施胶量对DRR有极显著的影响,呈现良好的线性下降关系;DRR演变于24~40%范围内。单位压力越高越有利于形成更多暂时、脆弱的“壁垒”,过载后DRR保留率就越高;同样,施胶量增大也促进“壁垒”形成。此外,增加施胶量不利于热辐射的释放。(7)木质电热复合材料板面表现出指数函数传热规律,温升与加载功率密度同时呈现线性和幂函数关系。电热层移向中间层,板面温度不均匀度可降低1~2℃;但板面温升及升温速度降低,且板底温度升高。通过引入隔热反射膜可同时提高板面升温速度及温升,板面实现20℃温升最长可缩短3min,板底最高可降低6℃。(8)木质电热复合材料加载500W/m2时,法向全发射率高于0.87,电-热辐射转换效率最高达到82.27%,热辐射红外波集中于4~25μm波长范围;随电热层移向中间层,电-热辐射转换效率逐渐降低,最大降低了10%。这是因为电热辐射效应在“辐射-吸收-再辐射-再吸收”的辐射传热过程产生了吸收损耗。
【关键词】：木质功能材料 碳纤维纸 电热效应 响应机理 热辐射
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-21
• 第一章 绪论21-36
• 1.1 引言21-32
• 1.1.1 研究背景21-22
• 1.1.2 国内外室内电采暖技术研究进展22-23
• 1.1.3 碳纤维电热特性的研究进展23-24
• 1.1.4 碳纤维复合材料电热性能的研究进展24-26
• 1.1.5 木质电热复合材料的发展现状26-31
• 1.1.6 木质电热复合材料的发展趋势31-32
• 1.2 研究目标和主要研究内容32-35
• 1.2.1 关键的科学问题和研究目标32-33
• 1.2.2 主要研究内容33-35
• 1.3 技术路线35-36
• 第二章 碳纤维纸的电热效应及机理36-59
• 2.1 试验材料与方法37-42
• 2.1.1 试验材料37
• 2.1.2 试验设备37-38
• 2.1.3 试验方法38-41
• 2.1.4 性能测试41-42
• 2.2 结果与分析42-57
• 2.2.1 四种碳纤维纸的电热效应42-45
• 2.2.2 碳纤维纸的热辐射性能与其物相结构45-47
• 2.2.3 碳纤维纸的电热效应机理47-57
• 2.3 小结57-59
• 第三章 不同胶合体系木质电热复合材料的电热响应59-80
• 3.1 试验材料与方法59-62
• 3.1.1 试验材料59-60
• 3.1.2 试验设备60
• 3.1.3 试验方法60-61
• 3.1.4 性能测试61-62
• 3.2 结果与分析62-78
• 3.2.1 不同胶合材料电热层的电阻下降率62-65
• 3.2.2 长期过载的电热效应65-67
• 3.2.3 长期过载的电/热-阻效应机理67-75
• 3.2.4 长期过载电热材料的热辐射性能及物相结构演变75-78
• 3.3 小结78-80
• 第四章 碳纤维单丝在木质复合材料中的电热响应机理80-99
• 4.1 试验材料与方法81-84
• 4.1.1 试验材料81
• 4.1.2 试验设备81
• 4.1.3 试验方法81-82
• 4.1.4 性能测试82-84
• 4.2 结果与分析84-98
• 4.2.1 碳纤维单丝在木质胶合体系中的电热响应84-87
• 4.2.2 碳纤维单丝胶合电热元件的电阻响应87-92
• 4.2.3 碳纤维单丝胶合电热元件加载不同功率的物相结构演变92-98
• 4.3 小结98-99
• 第五章 木质电热复合材料电热效应对胶合因子的响应机理99-123
• 5.1 试验材料与方法100-102
• 5.1.1 试验材料100
• 5.1.2 试验设备100
• 5.1.3 试验方法100-101
• 5.1.4 性能测试101-102
• 5.2 结果与分析102-121
• 5.2.1 热压复合过程电阻的演变及规律分析102-105
• 5.2.2 电阻变化率对胶合因子的响应规律105-108
• 5.2.3 电阻变化率对胶合因子的响应机理分析108-114
• 5.2.4 木质电热复合材料的电热稳定性对胶合因子的响应分析114-117
• 5.2.5 木质电热复合材料的热辐射性能对胶合因子的响应分析117-119
• 5.2.6 木质电热复合材料的理化性能对胶合因子的响应分析119-121
• 5.3 小结121-123
• 第六章 不同结构木竹电热复合材料的电热及理化性能123-148
• 6.1 试验材料与设备123-124
• 6.2 木竹电热复合材料的结构设计与制备124-126
• 6.2.1 多层实木复合电热材料的结构设计与制备工艺124
• 6.2.2 纤维板复合电热材料的结构设计与制备工艺124-125
• 6.2.3 木竹复合电热材料的结构与制备工艺125
• 6.2.4 木竹复合电热材料的传热结构优化125-126
• 6.3 性能测试126-127
• 6.3.1 电热性能126
• 6.3.2 理化性能126
• 6.3.3 热辐射性能126-127
• 6.4 结果与分析127-146
• 6.4.1 木竹电热复合材料的电热性能分析127-134
• 6.4.2 不同结构木竹电热复合材料的热辐射性能分析134-136
• 6.4.3 木竹电热复合材料的传热理论分析136-140
• 6.4.4 木竹电热复合材料的传热结构优化140-143
• 6.4.5 木竹电热复合材料的理化性能143-146
• 6.5 小结146-148
• 第七章 结论与建议148-153
• 7.1 结论148-151
• 7.1.1 碳纤维纸的电热效应及机理148-149
• 7.1.2 不同胶合体系木质电热复合材料的电热响应149
• 7.1.3 碳纤维单丝在木质复合材料中的电热响应机理149-150
• 7.1.4 木质电热复合材料电热效应对胶合因子的响应机理150
• 7.1.5 不同结构木竹电热复合材料的电热及理化性能150-151
• 7.2 创新点151-152
• 7.3 建议152-153
• 参考文献153-163
• 索引163-168
• Index168-174
• 在读期间的学术研究174-176
• 导师简介176-177
• 致谢177

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本文编号：806097