炭纖維復(fù)合材料技術(shù)在電熱方面的應(yīng)用
所屬分類：行業(yè)新聞 閱讀次數(shù)：2879 發(fā)布時間：2022-04-13
炭纖維復(fù)合材料除了重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、彈性模量高外，它還是一種很很好的電熱轉(zhuǎn)換材料。經(jīng)過特殊處理后的炭纖維材料，具有穩(wěn)定的電氣性能，擁有其他諸多電阻材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：在特定的環(huán)境中使用抗氧化性能強(qiáng)，使用壽命長;加熱功率穩(wěn)定，在功率為500W(含500W)以下使用電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)100%，在500W以上使用則電熱轉(zhuǎn)換效率為98%。它比目前廣泛采用的金屬絲、PTC、碳化硅電熱體的熱效率提高達(dá)30—40%，電熱功率幾乎不衰減。在特定的環(huán)境中使用可加熱到3000℃，其機(jī)械性能和彈性模量不發(fā)生任何一點(diǎn)變化。另外，炭纖維材料在電熱狀態(tài)使用，不遵循德曼—夫蘭茲(Weideman-Franz)定律，主要靠晶格振動的格波傳熱，克服了金屬絲、PTC、碳化硅電熱體強(qiáng)度低、易氧化的缺點(diǎn)。因此，炭纖維電熱元件有著廣闊的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊?br/> 炭纖維復(fù)合材料在電熱方面的優(yōu)異性能，早在上個世紀(jì)60年代就引起了國內(nèi)外電熱工作者的重視，但是由于條件的限制，沒有新的突破和進(jìn)展。隨著科技的進(jìn)步，國內(nèi)、外電熱科技工作者在炭纖維電熱功能應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)方面取得了重大的進(jìn)展。二十世紀(jì)八十年代初，先后研發(fā)出長絲炭纖維編織布和短絲炭纖維發(fā)熱電纜(這是與紙漿混合制作成電阻紙膜再與絕緣的樹脂材料復(fù)合制作而成)，用于加熱和采暖。這種電加熱結(jié)構(gòu)存在著炭纖維在紙漿分散不均勻、發(fā)熱板熱壓合力度不夠和電極連接難以及電氣性能不穩(wěn)定、成本高等問題，一直延續(xù)到1996年之前沒有大的突破。
自96年，我們開始了炭纖維電熱技術(shù)的研究，我們的研究沒有重復(fù)過去的思路，而是采用一種全新開發(fā)的思想，經(jīng)過多年潛心研究，率先解決了“炭纖維做電熱體在500℃—1200℃工作狀態(tài)下電氣性能穩(wěn)定和電極連接穩(wěn)定可靠”這兩大困擾著國內(nèi)外電熱工作者的技術(shù)難題，使炭纖維電熱應(yīng)用技術(shù)有了根本性的突破和進(jìn)展，從而順利實(shí)現(xiàn)了長絲炭纖維材料與無機(jī)絕緣材料、金屬材料、樹脂材料、石英玻璃材料、陶瓷材料的復(fù)合制作電熱元件產(chǎn)品的技術(shù)，為炭纖維電熱產(chǎn)品引領(lǐng)市場風(fēng)騷奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
絕緣包覆材料——鐵氟龍性能介紹
鐵氟龍表面活化氟塑料是各種含氟塑料的總稱，其中應(yīng)用最廣泛的品種為聚四氟乙烯，其次還有聚三氟氯乙烯、丙聚全氟代乙烯和聚全氟丙烯等。由于在氟塑料分子中C-F短具有高的離解能及氟原子的屏蔽效應(yīng)相高的電負(fù)性，使氟塑料具有優(yōu)良的耐高低溫性能、奇特的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的介電性能、低摩擦性和自潤滑性等。各種氟塑料的主要性能和用途大致相同，因而只介紹最重要的聚四氟乙烯——俗名“鐵氟龍”，是把乙烯(C2H4)中的四個氫(H)都置換成氟(F)，變成四氟乙烯(C2F4)，再經(jīng)聚合作用形成。由于鐵氟龍是由碳原子和氟原子制成，不含氫，所以不會和氧發(fā)生反應(yīng)。鐵氟龍具有耐熱、耐低溫、耐蝕性、異優(yōu)的非粘著性及自潤性、低磨擦系數(shù)等特性。
聚四氟乙烯的性能及用途聚四氟乙烯(PTFE)是以氟石、三氯甲烷等為原料制得一氯二氟甲烷，再經(jīng)高溫裂解而得四氟乙烯單體，在引發(fā)劑作用下聚合而成的。聚四氟乙烯是非極性直鏈形的結(jié)晶性高分子化合物，外觀為白色蠟狀，一般制品的結(jié)晶度為55～75%，它具有優(yōu)良的介電性能、耐化學(xué)藥品性、而候性、不粘性和低摩擦系數(shù)等特性。聚四氟乙烯塑料有特異的耐化學(xué)腐蝕性，它對于濃酸、濃堿或強(qiáng)氧化劑，即使在高溫下也不發(fā)生任何作用，有‘塑科王”之稱，砌腐蝕性能甚至超過貴金屬。除某些鹵化胺或芳香烴使聚四氟乙烯塑料有輕微的溶脹現(xiàn)象之外，酮類、酸類、酯類等有機(jī)溶劑對聚四氟乙烯部無作用，不會發(fā)生重量變化及溶脹現(xiàn)象。對它能發(fā)生作用的僅為熔融態(tài)的堿金屬、三氟化氯及元素氟等，但也只是在高溫、高壓下作用才顯著。此外，聚四氟乙烯也不受氧或紫外線的作用，不吸水、具有不燃性。它具有很高的耐熱性和耐寒性，使用溫度范圍為-180～250℃，在250℃處理240h，力學(xué)性能無降低，390℃每小時失重0.006%。它的介電性能優(yōu)良，并且電性能不受頻率和溫度的影響，可在250℃下長期工作。力學(xué)性能較好、熱導(dǎo)率高、熱膨脹小，但耐磨性不高，耐電暈性差。聚四氟乙烯可制成薄膜、管樹.板材、棒板、軸承、墊圈、閥門等各種型材和零件，廣泛應(yīng)用于既而高溫，又要求具有良好的介電性能或化學(xué)穩(wěn)定性的場合，化學(xué)工業(yè)用作耐腐蝕襯里、容器;電機(jī)電子工業(yè)上采用薄膜制作電容器、無線電絕緣材料;聚四氟乙烯電線和電纜為飛機(jī)、雷達(dá)、電視、火箭等不可缺少的材料之一。
炭纖維電熱電纜的技術(shù)指標(biāo)
1.發(fā)熱啟動電壓為：1.5V(DC)
2.工作電壓范圍:12V--220V
3.柔性電熱線電阻值范圍:5-8Ω/M;9-20Ω/M;23-25Ω/M;47-150Ω/M;
4.包覆材料耐熱溫度分別為:300℃;400℃;500℃。
5.電熱線直徑:φ1.8—6.0φmm
6.熱效率:≥98%(根據(jù)檢測，柔性線狀炭纖維電熱元件節(jié)電效果比金屬電熱元件節(jié)電高達(dá)30%。在節(jié)電的前提下我們開發(fā)生產(chǎn)的柔性線狀炭纖維電熱元件升溫快，通電加熱5-30分鐘就可以使表面板材及電熱織物等物品達(dá)到接近人體的溫度。)
炭纖維電熱電纜的安全指標(biāo)
1、安全檢驗(yàn)條件(1)加熱電源：(AC)交流。(2)88W通電回路工作狀態(tài)下。
2、安全檢驗(yàn)結(jié)果
(1)在常溫空氣中(有足夠的散熱)
絕緣電阻：≥500MΩ絕緣強(qiáng)度：5000V(AC)(1min，50HZ耐壓，無閃爍擊穿。)
泄漏電流：≤0.02mA
(2)在常溫空氣中(保持發(fā)熱80℃)
絕緣電阻：≥500MΩ絕緣強(qiáng)度：4000V(AC)(1min，50HZ耐壓，無閃爍擊穿。)
泄漏電流：≤0.02mA
(3)浸入0.8%常溫鹽水中
絕緣電阻：≥500MΩ絕緣強(qiáng)度：4000V(AC)(1min，50HZ耐壓，無閃爍擊穿。)
泄漏電流：≤0.02mA
(4)浸入0.8%80℃鹽水中
絕緣電組：≥500MΩ絕緣強(qiáng)度：4000V(AC)(1min，50HZ耐壓，無閃爍擊穿。)
泄漏電流：≤0.02mA
(5)機(jī)械強(qiáng)度
炭纖維發(fā)熱體在工作電流50mA通電回路工作狀態(tài)下，50000次凹折(30次/分)通電炭纖維及包覆材料無破損。正向壓力9.8牛頓/平方厘米無破損。絕緣電阻：≥500MΩ
炭纖維地暖的采暖釋疑
一、炭纖維電地暖的工作原理
炭纖維是一個非金屬材料，是世界公認(rèn)的遠(yuǎn)紅外發(fā)熱產(chǎn)品，用多根同等阻值是相等的發(fā)熱線并聯(lián)，等發(fā)熱電纜被加上220V電壓后，電流在發(fā)熱線中通過，由于受到電阻值的阻礙，電能轉(zhuǎn)化為熱能并以遠(yuǎn)紅外輻射形式散發(fā)出來，炭纖維是黑體材料，電熱轉(zhuǎn)換率在99%以上。熱量首先被水泥層所吸收，通過傳導(dǎo)和遠(yuǎn)紅外輻射形式加熱房間內(nèi)物體。
二、耗電量及節(jié)能方式
總體來說耗電量的大小主要取決于墻體的保溫性能、房間的高度、房間的大小、室內(nèi)外溫差以及空氣的交換速度、用戶的使用習(xí)慣等因素。熱空氣的物理性質(zhì)是向上運(yùn)動的，同等面積地面的熱利用率最高。電熱地板采暖系統(tǒng)的發(fā)熱體安裝在地板材質(zhì)下面，相當(dāng)于整個地面都是一個畜熱層，地面的溫度一定高于空氣中的溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度高于溫控器設(shè)定的溫度時，系統(tǒng)電源自動關(guān)閉。在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，地板和室內(nèi)物體所儲存的熱量，在此時釋放出來，等地板的溫度釋放到一定程度，溫控器所設(shè)定的溫度值高于空氣中的溫度時，系統(tǒng)將再次啟動。在使用地板采暖系統(tǒng)過程中，應(yīng)該就像節(jié)電節(jié)水一樣，養(yǎng)成節(jié)電的習(xí)慣，室內(nèi)如果無人或上班時，溫控器應(yīng)調(diào)制在節(jié)能溫度10—12度，長期無人居住的房間可以將系統(tǒng)關(guān)閉。
三、炭纖維電地暖的安全性
炭纖維是一種黑體材料，斷電不起火花;外包覆材料性能：耐極溫(-65—1000度)、耐腐蝕、耐酸堿、耐壓、抗拉、絕緣強(qiáng)度高等特點(diǎn)。幾乎對所有的有機(jī)物質(zhì)豆油耐腐蝕性，炭纖維發(fā)熱線埋設(shè)于2—3公分厚的結(jié)構(gòu)層(水泥沙漿層和瓷磚)中，水泥層和瓷磚有蓄熱和均勻散熱的作用，炭纖維地板采暖系統(tǒng)可以安裝在潮濕的房間，如浴室、游泳池等。炭纖維發(fā)熱電纜的最高溫度也不超過70度。此外，炭纖維發(fā)熱線纜都是經(jīng)過3000V以上的高壓測試，可以放心使用。
四、炭纖維電地暖系統(tǒng)對地面飾材的要求
基本上所有地面飾材(磁磚、木地板、石材、塑膠、地毯類)均適用地板采暖，但木質(zhì)地板要求有所不同。根據(jù)地暖的工作特性，木質(zhì)地暖地板應(yīng)符合兩個條件：1、適應(yīng)冷熱反復(fù)變換，變形量小;2、有利于熱傳導(dǎo)。目前市場上除了地暖專用地板外，其他流行的幾種地板中，實(shí)木地板變形率最大，一般不用于地采暖。強(qiáng)化復(fù)合地板變形量最小，因?yàn)樗幕拿繉娱g橫豎交錯，互相牽制，背面還有密集的抗變形溝槽，分解了受熱面產(chǎn)生的應(yīng)力。地板的導(dǎo)熱性與地板的厚度有關(guān)，實(shí)木復(fù)合地板與強(qiáng)化復(fù)合地板厚度差不多，但強(qiáng)化地板一直是地?zé)岬匕宓闹髁姟?qiáng)化地板在地板變形率、表面耐磨、清潔保養(yǎng)等方面都具有明顯的優(yōu)勢。
五、什么是遠(yuǎn)紅外輻射電地暖系統(tǒng)
熱的傳遞方式有三種，分別是：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)：冷熱物體通過接觸進(jìn)行熱量傳遞。對流：冷熱物體通過水和空氣等中間物質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞。輻射：傳熱不依靠物體的接觸進(jìn)行熱量傳遞。而像陽光穿過太空一樣的向地球輻射熱量，將熱源內(nèi)能轉(zhuǎn)化為輻射能，直接輻射給其它物體，這種傳遞方式比較直接，熱量轉(zhuǎn)化中間環(huán)節(jié)少，是一種節(jié)能的傳遞方式，智能電熱地暖系統(tǒng)就是以電力為能源，發(fā)熱體將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，以輻射方式對房間的物體進(jìn)行加熱，它能使人體體內(nèi)的原子和分子產(chǎn)生共振摩擦從而使人感覺到由內(nèi)向外的熱量，置身于這種環(huán)境中，就像春天般溫暖，
六、輻射對人體健康有沒有危害
沒有。不但對人體健康沒有損害，而且對人體健康十分有益，輻射供暖系列產(chǎn)品經(jīng)國家權(quán)威部門應(yīng)用專家檢測，大部分產(chǎn)品輻射波長在5—15微米之間，屬于遠(yuǎn)紅外輻射，而人體輻射波長在9-16微米左右，所以在這個范圍的遠(yuǎn)紅外輻射對人體健康具有特殊的作用，它可以迅速被人體吸收，使微血管擴(kuò)張，促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝，使組織細(xì)胞更加充滿活力，增強(qiáng)免疫力，對人體健康十分有利。
七、炭纖維電地暖要求的建筑最好是節(jié)能建筑
電熱地暖系統(tǒng)的整體目標(biāo)是為國家節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，眾多用戶而言，該系統(tǒng)的目標(biāo)是讓用戶舒適、健康、自由控制，運(yùn)行費(fèi)用低，根據(jù)專家檢測，電熱地暖系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的熱量負(fù)荷80%用以補(bǔ)充房間內(nèi)熱量損失，只有20%的熱量是用以取暖及提升房間溫度，房間內(nèi)空氣及物體溫度的上升只需少許能量即可達(dá)到，避免了大部分能量流失和浪費(fèi)。在國外，許多年以前，國家及其政府部門就規(guī)定新型建筑必須為節(jié)能建筑，其目的就是提高能量的利用率，其結(jié)果是冬季取暖、夏季制冷能耗大大降低。有的建筑每平米只安裝幾十瓦，就可以達(dá)到取暖效果。現(xiàn)在，我們國家相關(guān)部門及地方政府也對新型建筑作了倡導(dǎo)與規(guī)定，新建住宅都要按照節(jié)能建筑的方案設(shè)計(jì)，所以為了節(jié)約能源，降低用戶取暖費(fèi)用，使電熱地暖達(dá)到良好的運(yùn)行效果，對建筑物的要求也越來越高。
八、如何達(dá)到智能控制的目的
炭纖維地采暖系統(tǒng)運(yùn)行使用智能控制系統(tǒng)，能夠合理安排各個房間時段的供暖溫度，可避免無功供暖，節(jié)省大量能源，省錢省力又省心，其具體實(shí)施方法是采用可編程溫控器等高科技智能自控裝置，這種裝置可自動實(shí)現(xiàn)溫度自動控制和時間自動控制，用戶根據(jù)自己的活動規(guī)律，自編程序，將程序儲存在控制系統(tǒng)中，電熱地暖系統(tǒng)將按程序命令自動運(yùn)行。
九、第一次通電運(yùn)行初期用電量較大
供暖系統(tǒng)每年第一次通電時，房間內(nèi)的物體、房間的墻壁等，溫度很低，而要想把房間溫度提升起來，這些物體要首先熱起來，這樣就有大量的熱被這些物體所吸收，所有第一次通電運(yùn)行初期用電量會很大。隨著時間的推移，用電量會逐漸減少直至達(dá)到一個平衡狀態(tài)。
十、樓房入住率高低會影響用戶電量
針對每一個用戶其電功損耗可分為兩大部分：一部分用于取暖，另一部分為熱損耗。損耗大致分為兩部分：一部分是外墻及窗戶損耗，另一部分為內(nèi)墻損耗。如果入住率高，樓內(nèi)各家各戶都取暖,內(nèi)墻損耗基本為零：而入住率底,內(nèi)墻損耗將大大增加，所以入住率的高低會決定用戶取暖費(fèi)用的高低。
十一、炭纖維電取暖產(chǎn)品工作的表面溫度是多少
發(fā)熱線纜表面溫度再沒有物體遮擋的情況下一般不高于60度，在長時間不斷運(yùn)行的條件下，表面溫度不會超過70度，當(dāng)線纜溫度達(dá)到18度時，房間內(nèi)地面溫度約為(20—28)度(瓷質(zhì)地板磚略高一些)。
十二、炭纖維電地暖系統(tǒng)會不會漏電傷人不會。除非人為破壞或不可抗拒類外力損壞或未作絕緣處理。而瑞貝斯公司所使用的發(fā)熱線外絕緣材料，是鐵氟龍材料。并且每一批發(fā)熱線都經(jīng)過多層絕緣處理和浸水測試，在安裝電熱地暖系統(tǒng)之前，必須配備與房間功率相近的漏電保護(hù)裝置，可放心使用。
十三、炭纖維電地暖的使用壽命
在國外，幾十年來，電熱采暖從未出現(xiàn)任何因老化而影響使用的現(xiàn)象。這種產(chǎn)品在正常使用中、不被外力損壞的情況下，其壽命可與建筑物同壽。
十四、智能炭纖維電地暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性
對于一間10m的房間，在滿足一般采暖需要情況下，采用一套高品質(zhì)的智能電熱地暖系統(tǒng)的價(jià)格為1800—2200元人民幣，價(jià)格并不高于一塊優(yōu)質(zhì)地毯。關(guān)于耗電量，一般電熱地暖系統(tǒng)在鋪設(shè)時，每平方米功率約80—100瓦，在使用中由于溫控器的自動調(diào)節(jié)，通電加熱是一個斷斷續(xù)續(xù)的過程。一般來說，其耗電量只有同等面積供暖的暖風(fēng)空調(diào)的30%，但卻能創(chuàng)造更舒適的環(huán)境。另外，在有供電分時收費(fèi)的地區(qū)，還可以在峰谷用電時段加熱，將熱量儲備在混凝土地面中，緩慢釋放出來，減少正常收費(fèi)時段用電的50%。
