碳素电热元件的电热辐射性能研究

论文摘要

碳素纤维及其复合材料具有优异的热辐射性能,以其作为辐射源的碳素电热元件波长匹配性良好,加热效率较高。针对自行研制的碳素纤维及其复合材料电热元件开展电热辐射性能的应用研究,分析元件制备工艺与电热性能的相互关系,系统探讨物相结构、制备工艺与碳素纤维及其复合材料热辐射性能的变化规律,可为高性能碳素热辐射材料的制备提供帮助。本文首先进行了碳素电热元件的失效问题分析,以优化工艺为目的研制了碳素纤维电热体股线的捻制缠绕设备和碳素复合材料电热体的高温定型装备,在制备出高质量碳素电热元件的基础上测试其相关的电热性能并进行机理分析,之后系统研究碳素纤维及其复合材料电热体热辐射性能的变化规律,最后从工程应用出发,进行碳素复合材料电热元件辐射热流密度分布的数值模拟。通过报废碳素电热元件的失效原因总结,确定了股线型碳素纤维电热体的捻制缠绕以及碳素复合材料电热体的高温定型是碳素电热元件制备的关键步骤。在此基础上研制了碳素纤维电热体股线的捻制缠绕设备并建立其工艺计算模型,开发了碳素复合材料电热体的高温定型装备并优化了定型后电热体的脱芯工艺。性能测试表明,经工艺优化后碳素复合材料电热元件的功率偏差可控制在5W内,表面温度均匀性较好,使用寿命达12000小时,电阻变化率较小,高压负载条件下的安全性较好,在2～20μm具有较强的热辐射能量分布。系统研究了制备工艺与碳素电热元件电热性能（功率密度-温度关系、阻温特性和热惯性）的相互关系。结果表明,采用氮气瞬时高温法进行碳素纤维电热体表面除杂,所得的带支撑芯股线型碳素纤维电热元件在相同功率密度下的稳定工作温度较高,电阻变化率较低,热惯性小。此外,支撑芯的存在不利于元件电热性能的提高,脱离石英支撑芯的限制,采用碳素纤维多股线,选用适宜浓度的定型胶进行高温定型处理,所得的无支撑芯碳素复合材料电热元件在相同功率密度下的稳定工作温度较高,电阻变化率较低,热惯性较小,其各项电热性能均优于碳毡元件。建立碳素电热元件传热微分方程,求解得到元件稳定温升及瞬时升温时间的数学表达式,经分析,碳素电热体的热辐射性能是影响元件功率密度-温度关系和热惯性的重要因素,提高碳素电热体的总发射率可以提高元件的稳定工作温度、降低瞬时升温时间。建立元件电阻变化率与端头接点特性、碳素材料初始电阻率的关系,碳素电热体的初始电阻率越小、单丝搭接点越多、接点处接触压力越大及接触点越多,元件电阻变化率越小。采用自动分光辐射测量测试了不同纤维类型、高温石墨化以及表面除杂处理下碳素纤维的法向光谱发射率和总发射率,利用X射线衍射仪（XRD）、显微激光拉曼光谱仪（LRS）进行物相结构分析。碳素纤维物相结构与热辐射性能的变化关系表明,T700碳素纤维中石墨微晶的结构规整程度优于T300样品,载流子辐射机制与石墨微晶的晶格振动模式增强,使得T700样品在2500～5000nm和5000～6500nm波段内的光谱发射率优于T300,无定型碳等紊乱结构的减少削弱了畸变结构和杂质缺陷引起的振动模式,使得6500～13000nm波段的光谱发射率较低,T700碳素纤维的光谱发射率呈现一定波长依赖性,法向总发射率低于T300样品。高温石墨化后的T300碳素纤维和国产碳毡,石墨微晶规整程度提高,载流子辐射机制与石墨晶格振动模式的增强使2500～5000nm和5000～6500nm波段内光谱发射率明显提高,同时畸变结构和杂质缺陷的减少使相关的辐射机制削弱,6500～13000nm内的光谱发射率降低,石墨化后碳素纤维的光谱发射率表现出明显的波长依赖性,总发射率降低。与氮气瞬时高温法相比,空气瞬时高温和硝酸液相表面除杂引起碳素纤维内部碳质物相结构的刻蚀程度不同,石墨微晶尺寸的减小削弱了载流子辐射机制,2500～5000nm波段的光谱发射率降低,石墨微晶相对较小的刻蚀程度使5000～6500nm波段的光谱发射率相对稳定而没有明显下降,而更加紊乱的无定型碳等物相结构的稳定性较差,发生了严重刻蚀,相关的振动模式减少使其辐射机制削弱,引起了6500～13000nm内光谱发射率的降低,光谱发射率的波长依赖性增强,总发射率降低。载流子辐射机制、石墨晶格振动辐射机制以及畸变结构、杂质缺陷的辐射机制共同作用使碳素纤维在测试波段内光谱发射率的波长依赖性较弱,表现出灰体材料的特性。测定了碳素复合材料的法向光谱发射率和法向总发射率,利用扫描电子显微镜（SEM）进行表面形貌分析,系统研究了纤维排布、碳质组成、浸渍致密化工艺以及表面形貌与碳素复合材料法向光谱发射率和法向总发射率的变化关系。结果表明,不同的纤维排布改变了样品的结构松散程度,多股线排布的碳素纤维预制体及碳毡的法向光谱发射率和法向总发射率均优于碳素纤维布预制体,短切纤维增强碳/碳多孔坯体的法向光谱发射率和法向总发射率优于碳布增强坯体。碳质组成的不同引起了碳素复合材料热辐射性能的变化。树脂碳紊乱畸变的结构比例大于纤维碳,较多的畸变晶格振动模式及缺陷杂质局域振动模式引起相应辐射机制的增强,使得树脂碳的热辐射性能优于纤维碳,因此碳/碳多孔坯体的法向光谱发射率和总发射率均优于其相应的纤维预制体。碳布和短纤维增强碳素复合材料的法向光谱发射率和总发射率均随着浸渍致密化次数的增加出现先降低后升高的趋势,多次致密化后两组样品总发射率间的差距减小,增加树脂碳含量有利于碳素复合材料发射率的提高。表面抛光引起了样品粗糙度的显著降低,碳素复合材料的法向光谱发射率和总发射率均明显下降。建立单支碳素复合材料电热元件和平行排布的多支元件的辐射热流密度分布模型,利用MATLAB软件进行数值计算和可视化分析,结果表明,元件辐射热流密度随碳素复合材料发射率的增大而增大,热流密度的不均匀度随之提高。元件辐射热流密度随石英发射率的增加而增大,热流密度的不均匀度随之提高。随石英管外半径增加,元件辐射热流密度先有所提高,在设定初始条件下,当外径大于0.45cm时热流密度又迅速减小,热流密度不均匀度随石英管外半径的增加最初增加,之后变化不大。元件辐射热流密度随输入功率而提高,热流密度不均匀度最初急剧降低,之后变化逐渐缓和。多元件辐射热流密度的分布受元件轴线与受热面间距离、元件轴线间距以及多支元件间功率配置的影响。在设定初始条件下,元件轴线与受热面距离h=12cm、元件轴线间距s=15cm、采用1000W-600W-1000W的功率配置时,辐射热流密度场呈“平拱形”分布,平行排布多元件采用合理的交替功率布置,能够获得均匀性相对较好的辐射热流密度分布场。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 本文创新和主要贡献
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 辐射换热概述及特点
• 1.2 碳素辐射发热体的开发及应用
• 1.2.1 碳素辐射发热体的发展历史
• 1.2.2 碳素辐射发热体的种类及制造
• 1.2.3 碳素材料热辐射传热的特点
• 1.2.4 碳素辐射发热体的应用
• 1.3 热辐射性能的基础现状
• 1.3.1 热辐射的术语及定律
• 1.3.2 热辐射性能的测试
• 1.3.3 碳素材料热辐射性能的研究现状
• 1.4 本文的研究意义及研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法及测试设备
• 2.1 技术路线
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 碳素纤维及碳毡
• 2.2.2 酚醛树脂
• 2.3 样品制备工艺与设备
• 2.3.1 碳素电热元件样品的制备设备及工艺流程
• 2.3.1.1 电热元件样品的制备设备
• 2.3.1.2 带支撑芯碳素纤维电热元件样品的制备工艺
• 2.3.1.3 无支撑芯碳素复合材料电热元件样品的制备工艺
• 2.3.2 碳素纤维样品除杂实验的工艺及装备
• 2.3.3 碳素纤维样品石墨化处理的工艺及装备
• 2.3.4 碳素复合材料样品的制备工艺
• 2.4 测试与表征设备
• 2.4.1 热辐性能的测试设备
• 2.4.2 电热元件的电热性能测试
• 2.4.2.1 功率密度-温度关系及阻温特性测试
• 2.4.2.2 热惯性测试
• 2.4.3 物相结构及表面形貌分析
• 2.4.3.1 X射线衍射测试
• 2.4.3.2 拉曼光谱测试
• 2.4.3.3 SEM测试
• 参考文献
• 第三章 碳素电热元件的失效分析及其制备工艺优化
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 碳素电热元件的失效分析
• 3.3.1 电热元件的失效类型统计
• 3.3.2 电热元件的失效原因总结
• 3.3.2.1 支撑芯材质的影响
• 3.3.2.2 电热体缠绕工艺的影响
• 3.3.2.3 接点处理工艺的影响
• 3.3.2.4 高温定型工艺的影响
• 3.4 碳素电热元件的制备工艺优化
• 3.4.1 碳素纤维电热体捻制缠绕设备的开发
• 3.4.1.1 设计方案
• 3.4.1.2 硬件装备开发
• 3.4.1.3 捻制缠绕工艺数学模型的建立
• 3.4.1.4 基于MATLAB的捻制缠绕工艺计算平台的开发
• 3.4.2 高温定型装备及工艺开发
• 3.4.2.1 碳素复合材料电热体高温定型装备的开发
• 3.4.2.2 脱芯工艺优化
• 3.5 性能测试
• 3.5.1 功率偏差测试
• 3.5.2 表面温度均匀性测试
• 3.5.3 使用寿命及电阻变化率测试
• 3.5.4 耐压安全性能测试
• 3.5.5 相对辐射能谱测试
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 制备工艺与碳素电热元件电热性能的相关性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 不同支撑芯及线型电热元件的制备
• 4.2.2 不同表面除杂及定型处理电热元件的制备
• 4.2.3 表征方法
• 4.3 支撑芯对碳素电热元件电热性能的影响
• 4.3.1 支撑芯对元件功率密度-温度关系的影响
• 4.3.2 支撑芯对元件阻温特性的影响
• 4.3.3 支撑芯对元件热惯性的影响
• 4.4 电热体线型对碳素电热元件电热性能的影响
• 4.4.1 电热体线型对元件功率密度-温度关系的影响
• 4.4.2 电热体线型对元件阻温特性的影响
• 4.4.3 电热体线型对元件热惯性的影响
• 4.5 表面除杂对碳素纤维元件电热性能的影响
• 4.5.1 表面除杂对元件功率密度-温度关系的影响
• 4.5.2 表面除杂对元件阻温特性的影响
• 4.5.3 表面除杂对元件热惯性的影响
• 4.6 定型工艺对碳素复合材料元件电热性能的影响
• 4.6.1 定型胶浓度与电热体含胶量之间的关系
• 4.6.2 定型工艺对元件功率密度-温度关系的影响
• 4.6.3 定型工艺对元件阻温特性的影响
• 4.6.4 定型工艺对元件热惯性的影响
• 4.7 机理分析
• 4.7.1 元件电热温升效应及热惯性的机理分析
• 4.7.2 元件阻温特性的机理分析
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳素纤维物相结构与热辐射性能的相关性
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 不同类型纤维发射率测试样品的制备
• 5.2.2 石墨化处理纤维发射率测试样品的制备
• 5.2.3 表面除杂处理纤维发射率测试样品的制备
• 5.2.4 表征方法
• 5.3 不同类型碳素纤维的热辐射性能测试及物相结构分析
• 5.3.1 不同类型碳素纤维的热辐射性能
• 5.3.2 不同类型碳素纤维的物相结构分析
• 5.4 石墨化处理对碳素纤维的热辐射性能及物相结构的影响
• 5.4.1 石墨化处理对碳素纤维热辐射性能的影响
• 5.4.2 石墨化处理前后碳素纤维的物相结构分析
• 5.5 表面除杂对碳素纤维的热辐射性能及物相结构的影响
• 5.5.1 表面除杂对碳素纤维热辐射性能的影响
• 5.5.2 表面除杂碳素纤维的物相结构分析
• 5.6 物相结构与热辐射性能的相关性分析
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 碳素复合材料制备工艺与热辐射性能的相关性
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 碳素纤维预制体的制备
• 6.2.2 碳/碳多孔坯体及复合材料的制备
• 6.2.3 表征方法
• 6.3 纤维排布对复合材料热辐射性能的影响
• 6.3.1 不同纤维排布碳素纤维预制体的热辐射性能
• 6.3.2 不同纤维排布碳/碳多孔坯体的热辐射性能
• 6.3.3 热辐射性能的机理探讨
• 6.4 碳质组成对复合材料热辐射性能的影响
• 6.4.1 碳质组成对复合材料法向光谱发射率的影响
• 6.4.2 碳质组成对复合材料法向总发射率的影响
• 6.5 浸渍致密化对复合材料热辐射性能的影响
• 6.5.1 浸渍致密化对复合材料法向光谱发射率的影响
• 6.5.2 浸渍致密化对复合材料法向总发射率的影响
• 6.5.3 机理分析
• 6.6 表面形貌对复合材料热辐射性能的影响
• 6.6.1 表面形貌对复合材料法向光谱发射率的影响
• 6.6.2 表面形貌对复合材料法向总发射率的影响
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 碳素复合材料电热元件辐射热流密度的数值模拟
• 7.1 引言
• 7.2 单支元件辐射热流密度分布的数值模拟
• 7.2.1 碳素复合材料电热元件的结构分析
• 7.2.2 数学模型的建立
• 7.2.2.1 物理模型建立及传热分析
• 7.2.2.2 石英二次辐射源有效辐射热流分布方程的建立
• 7.2.2.3 空间辐射热流密度分布方程的建立
• 7.2.2.4 辐射换热角系数的确定
• 7.2.3 碳素材料热辐射性能对元件辐射热流密度的影响
• 7.2.4 石英热辐射性能对元件辐射热流密度的影响
• 7.2.5 外型规格参数对元件辐射热流密度的影响
• 7.2.6 输入功率对元件辐射热流密度的影响
• 7.2.7 实验验证
• 7.3 多支元件辐射热流密度分布的数值模拟
• 7.3.1 多支元件辐射热流密度的数学模型建立
• 7.3.2 角系数基本计算公式的选择
• 7.3.3 受热平面内微元与电热元件的辐射角系数计算
• 7.3.4 受热面距离对元件辐射热流密度的影响
• 7.3.5 元件间距对辐射热流密度的影响
• 7.3.6 输入功率对元件辐射热流密度的影响
• 7.3.7 实验验证
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 参与科研项目及获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 附件