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炭纤维复合材料技术在电热方面的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-03-26  来源:中国碳谷网  作者:中国碳谷网  浏览次数:176
核心提示:经过特殊处理后的炭纤维复合材料,具有稳定的电气性能,拥有其他诸多电阻材料无法比拟的优点,它比目前广泛采用的金属丝、PTC、碳化硅电热体的热效率提高达30—40%,电热功率几乎不衰减。
   炭纤维复合材料除了重量轻、强度高、耐高温、弹性模量高外,它还是一种很很好的电热转换材料。经过特殊处理后的炭纤维材料,具有稳定的电气性能,拥有其他诸多电阻材料无法比拟的优点,如:在特定的环境中使用抗氧化性能强,使用寿命长;加热功率稳定,在功率为500W(含500W)以下使用电热转换效率达100%,在500W以上使用则电热转换效率为98%。它比目前广泛采用的金属丝、PTC、碳化硅电热体的热效率提高达30—40%,电热功率几乎不衰减。在特定的环境中使用可加热到3000℃,其机械性能和弹性模量不发生任何一点变化。另外,炭纤维材料在电热状态使用,不遵循德曼—夫兰兹(Weideman-Franz)定律,主要靠晶格振动的格波传热,克服了金属丝、PTC、碳化硅电热体强度低、易氧化的缺点。因此,炭纤维电热元件有着广阔的发展潜力和市场前景。

  炭纤维复合材料在电热方面的优异性能,早在上个世纪60年代就引起了国内外电热工作者的重视,但是由于条件的限制,没有新的突破和进展。随着科技的进步,国内、外电热科技工作者在炭纤维电热功能应用技术的开发方面取得了重大的进展。二十世纪八十年代初,先后研发出长丝炭纤维编织布和短丝炭纤维发热电缆(这是与纸浆混合制作成电阻纸膜再与绝缘的树脂材料复合制作而成),用于加热和采暖。这种电加热结构存在着炭纤维在纸浆分散不均匀、发热板热压合力度不够和电极连接难以及电气性能不稳定、成本高等问题,一直延续到1996年之前没有大的突破。

  自96年,我们开始了炭纤维电热技术的研究,我们的研究没有重复过去的思路,而是采用一种全新开发的思想,经过多年潜心研究,率先解决了“炭纤维做电热体在500℃—1200℃工作状态下电气性能稳定和电极连接稳定可靠”这两大困扰着国内外电热工作者的技术难题,使炭纤维电热应用技术有了根本性的突破和进展,从而顺利实现了长丝炭纤维材料与无机绝缘材料、金属材料、树脂材料、石英玻璃材料、陶瓷材料的复合制作电热元件产品的技术,为炭纤维电热产品引领市场风骚奠定了坚实的基础。

  绝缘包覆材料——铁氟龙性能介绍

  铁氟龙表面活化氟塑料是各种含氟塑料的总称,其中应用最广泛的品种为聚四氟乙烯,其次还有聚三氟氯乙烯、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短具有高的离解能及氟原子的屏蔽效应相高的电负性,使氟塑料具有优良的耐高低温性能、奇特的化学稳定性、优良的介电性能、低摩擦性和自润滑性等。各种氟塑料的主要性能和用途大致相同,因而只介绍最重要的聚四氟乙烯——俗名“铁氟龙”,是把乙烯(C2H4)中的四个氢(H)都置换成氟(F),变成四氟乙烯(C2F4),再经聚合作用形成。由于铁氟龙是由碳原子和氟原子制成,不含氢,所以不会和氧发生反应。铁氟龙具有耐热、耐低温、耐蚀性、异优的非粘着性及自润性、低磨擦系数等特性。

  聚四氟乙烯的性能及用途聚四氟乙烯(PTFE)是以氟石、三氯甲烷等为原料制得一氯二氟甲烷,再经高温裂解而得四氟乙烯单体,在引发剂作用下聚合而成的。聚四氟乙烯是非极性直链形的结晶性高分子化合物,外观为白色蜡状,一般制品的结晶度为55~75%,它具有优良的介电性能、耐化学药品性、而候性、不粘性和低摩擦系数等特性。聚四氟乙烯塑料有特异的耐化学腐蚀性,它对于浓酸、浓碱或强氧化剂,即使在高温下也不发生任何作用,有‘塑科王”之称,砌腐蚀性能甚至超过贵金属。除某些卤化胺或芳香烃使聚四氟乙烯塑料有轻微的溶胀现象之外,酮类、酸类、酯类等有机溶剂对聚四氟乙烯部无作用,不会发生重量变化及溶胀现象。对它能发生作用的仅为熔融态的碱金属、三氟化氯及元素氟等,但也只是在高温、高压下作用才显著。此外,聚四氟乙烯也不受氧或紫外线的作用,不吸水、具有不燃性。它具有很高的耐热性和耐寒性,使用温度范围为-180~250℃,在250℃处理240h,力学性能无降低,390℃每小时失重0.006%。它的介电性能优良,并且电性能不受频率和温度的影响,可在250℃下长期工作。力学性能较好、热导率高、热膨胀小,但耐磨性不高,耐电晕性差。聚四氟乙烯可制成薄膜、管树.板材、棒板、轴承、垫圈、阀门等各种型材和零件,广泛应用于既而高温,又要求具有良好的介电性能或化学稳定性的场合,化学工业用作耐腐蚀衬里、容器;电机电子工业上采用薄膜制作电容器、无线电绝缘材料;聚四氟乙烯电线和电缆为飞机、雷达、电视、火箭等不可缺少的材料之一。

  炭纤维电热电缆的技术指标

  1.发热启动电压为:1.5V(DC)

  2.工作电压范围:12V--220V

  3.柔性电热线电阻值范围:5-8Ω/M;9-20Ω/M;23-25Ω/M;47-150Ω/M;

  4.包覆材料耐热温度分别为:300℃;400℃;500℃。

  5.电热线直径:φ1.8—6.0φmm

  6.热效率:≥98%(根据检测,柔性线状炭纤维电热元件节电效果比金属电热元件节电高达30%。在节电的前提下我们开发生产的柔性线状炭纤维电热元件升温快,通电加热5-30分钟就可以使表面板材及电热织物等物品达到接近人体的温度。)

  炭纤维电热电缆的安全指标

  1、安全检验条件(1)加热电源:(AC)交流。(2)88W通电回路工作状态下。

  2、安全检验结果

  (1)在常温空气中(有足够的散热)

  绝缘电阻:≥500MΩ绝缘强度:5000V(AC)(1min,50HZ耐压,无闪烁击穿。)

  泄漏电流:≤0.02mA

  (2)在常温空气中(保持发热80℃)

  绝缘电阻:≥500MΩ绝缘强度:4000V(AC)(1min,50HZ耐压,无闪烁击穿。)

  泄漏电流:≤0.02mA

  (3)浸入0.8%常温盐水中

  绝缘电阻:≥500MΩ绝缘强度:4000V(AC)(1min,50HZ耐压,无闪烁击穿。)

  泄漏电流:≤0.02mA

  (4)浸入0.8%80℃盐水中

  绝缘电组:≥500MΩ绝缘强度:4000V(AC)(1min,50HZ耐压,无闪烁击穿。)

  泄漏电流:≤0.02mA

  (5)机械强度

  炭纤维发热体在工作电流50mA通电回路工作状态下,50000次凹折(30次/分)通电炭纤维及包覆材料无破损。正向压力9.8牛顿/平方厘米无破损。绝缘电阻:≥500MΩ

  炭纤维地暖的采暖释疑

  一、炭纤维电地暖的工作原理

  炭纤维是一个非金属材料,是世界公认的远红外发热产品,用多根同等阻值是相等的发热线并联,等发热电缆被加上220V电压后,电流在发热线中通过,由于受到电阻值的阻碍,电能转化为热能并以远红外辐射形式散发出来,炭纤维是黑体材料,电热转换率在99%以上。热量首先被水泥层所吸收,通过传导和远红外辐射形式加热房间内物体。

  二、耗电量及节能方式

  总体来说耗电量的大小主要取决于墙体的保温性能、房间的高度、房间的大小、室内外温差以及空气的交换速度、用户的使用习惯等因素。热空气的物理性质是向上运动的,同等面积地面的热利用率最高。电热地板采暖系统的发热体安装在地板材质下面,相当于整个地面都是一个畜热层,地面的温度一定高于空气中的温度,当室内温度高于温控器设定的温度时,系统电源自动关闭。在系统处于休眠状态时,地板和室内物体所储存的热量,在此时释放出来,等地板的温度释放到一定程度,温控器所设定的温度值高于空气中的温度时,系统将再次启动。在使用地板采暖系统过程中,应该就像节电节水一样,养成节电的习惯,室内如果无人或上班时,温控器应调制在节能温度10—12度,长期无人居住的房间可以将系统关闭。

  三、炭纤维电地暖的安全性

  炭纤维是一种黑体材料,断电不起火花;外包覆材料性能:耐极温(-65—1000度)、耐腐蚀、耐酸碱、耐压、抗拉、绝缘强度高等特点。几乎对所有的有机物质豆油耐腐蚀性,炭纤维发热线埋设于2—3公分厚的结构层(水泥沙浆层和瓷砖)中,水泥层和瓷砖有蓄热和均匀散热的作用,炭纤维地板采暖系统可以安装在潮湿的房间,如浴室、游泳池等。炭纤维发热电缆的最高温度也不超过70度。此外,炭纤维发热线缆都是经过3000V以上的高压测试,可以放心使用。

  四、炭纤维电地暖系统对地面饰材的要求

  基本上所有地面饰材(磁砖、木地板、石材、塑胶、地毯类)均适用地板采暖,但木质地板要求有所不同。根据地暖的工作特性,木质地暖地板应符合两个条件:1、适应冷热反复变换,变形量小;2、有利于热传导。目前市场上除了地暖专用地板外,其他流行的几种地板中,实木地板变形率最大,一般不用于地采暖。强化复合地板变形量最小,因为它的基材每层间横竖交错,互相牵制,背面还有密集的抗变形沟槽,分解了受热面产生的应力。地板的导热性与地板的厚度有关,实木复合地板与强化复合地板厚度差不多,但强化地板一直是地热地板的主力军。强化地板在地板变形率、表面耐磨、清洁保养等方面都具有明显的优势。

  五、什么是远红外辐射电地暖系统

  热的传递方式有三种,分别是:传导、对流和辐射。传导:冷热物体通过接触进行热量传递。对流:冷热物体通过水和空气等中间物质进行热量传递。辐射:传热不依靠物体的接触进行热量传递。而像阳光穿过太空一样的向地球辐射热量,将热源内能转化为辐射能,直接辐射给其它物体,这种传递方式比较直接,热量转化中间环节少,是一种节能的传递方式,智能电热地暖系统就是以电力为能源,发热体将电能直接转化为热能,以辐射方式对房间的物体进行加热,它能使人体体内的原子和分子产生共振摩擦从而使人感觉到由内向外的热量,置身于这种环境中,就像春天般温暖,

  六、辐射对人体健康有没有危害

  没有。不但对人体健康没有损害,而且对人体健康十分有益,辐射供暖系列产品经国家权威部门应用专家检测,大部分产品辐射波长在5—15微米之间,属于远红外辐射,而人体辐射波长在9-16微米左右,所以在这个范围的远红外辐射对人体健康具有特殊的作用,它可以迅速被人体吸收,使微血管扩张,促进血液循环和新陈代谢,使组织细胞更加充满活力,增强免疫力,对人体健康十分有利。

  七、炭纤维电地暖要求的建筑最好是节能建筑

  电热地暖系统的整体目标是为国家节约能源,减少环境污染,众多用户而言,该系统的目标是让用户舒适、健康、自由控制,运行费用低,根据专家检测,电热地暖系统所设计的热量负荷80%用以补充房间内热量损失,只有20%的热量是用以取暖及提升房间温度,房间内空气及物体温度的上升只需少许能量即可达到,避免了大部分能量流失和浪费。在国外,许多年以前,国家及其政府部门就规定新型建筑必须为节能建筑,其目的就是提高能量的利用率,其结果是冬季取暖、夏季制冷能耗大大降低。有的建筑每平米只安装几十瓦,就可以达到取暖效果。现在,我们国家相关部门及地方政府也对新型建筑作了倡导与规定,新建住宅都要按照节能建筑的方案设计,所以为了节约能源,降低用户取暖费用,使电热地暖达到良好的运行效果,对建筑物的要求也越来越高。

  八、如何达到智能控制的目的

  炭纤维地采暖系统运行使用智能控制系统,能够合理安排各个房间时段的供暖温度,可避免无功供暖,节省大量能源,省钱省力又省心,其具体实施方法是采用可编程温控器等高科技智能自控装置,这种装置可自动实现温度自动控制和时间自动控制,用户根据自己的活动规律,自编程序,将程序储存在控制系统中,电热地暖系统将按程序命令自动运行。

  九、第一次通电运行初期用电量较大

  供暖系统每年第一次通电时,房间内的物体、房间的墙壁等,温度很低,而要想把房间温度提升起来,这些物体要首先热起来,这样就有大量的热被这些物体所吸收,所有第一次通电运行初期用电量会很大。随着时间的推移,用电量会逐渐减少直至达到一个平衡状态。

  十、楼房入住率高低会影响用户电量

  针对每一个用户其电功损耗可分为两大部分:一部分用于取暖,另一部分为热损耗。损耗大致分为两部分:一部分是外墙及窗户损耗,另一部分为内墙损耗。如果入住率高,楼内各家各户都取暖,内墙损耗基本为零:而入住率底,内墙损耗将大大增加,所以入住率的高低会决定用户取暖费用的高低。

  十一、炭纤维电取暖产品工作的表面温度是多少

  发热线缆表面温度再没有物体遮挡的情况下一般不高于60度,在长时间不断运行的条件下,表面温度不会超过70度,当线缆温度达到18度时,房间内地面温度约为(20—28)度(瓷质地板砖略高一些)。

  十二、炭纤维电地暖系统会不会漏电伤人

  不会。除非人为破坏或不可抗拒类外力损坏或未作绝缘处理。而瑞贝斯公司所使用的发热线外绝缘材料,

  是铁氟龙材料。并且每一批发热线都经过多层绝缘处理和浸水测试,在安装电热地暖系统之前,必须配备与房间功率相近的漏电保护装置,可放心使用。

  十三、炭纤维电地暖的使用寿命

  在国外,几十年来,电热采暖从未出现任何因老化而影响使用的现象。这种产品在正常使用中、不被外力损坏的情况下,其寿命可与建筑物同寿。

  十四、智能炭纤维电地暖系统的经济性

  对于一间10m的房间,在满足一般采暖需要情况下,采用一套高品质的智能电热地暖系统的价格为1800—2200元人民币,价格并不高于一块优质地毯。关于耗电量,一般电热地暖系统在铺设时,每平方米功率约80—100瓦,在使用中由于温控器的自动调节,通电加热是一个断断续续的过程。一般来说,其耗电量只有同等面积供暖的暖风空调的30%,但却能创造更舒适的环境。另外,在有供电分时收费的地区,还可以在峰谷用电时段加热,将热量储备在混凝土地面中,缓慢释放出来,减少正常收费时段用电的50%。

 
 
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