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炭纖維復合材料技術在電熱方面的應用

作者:美蘭德 日期:2017-05-06 15:29:00
炭纖維復合材料除了重量輕、強度高、耐高溫、彈性模量高外,它還是一種很很好的電熱轉換材料。經過特殊處理后的炭纖維材料,具有穩定的電氣性能,擁有其他諸多電阻材料無法比擬的優點,如:在特定的環境中使用抗氧化性能強,使用壽命長;加熱功率穩定,在功率為500W(含500W)以下使用電熱轉換效率達100%,在500W以上使用則電熱轉換效率為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30—40%,電熱功率幾乎不衰減。在特定的環境中使用可加熱到3000℃,其機械性能和彈性模量不發生任何一點變化。另外,炭纖維材料在電熱狀態使用,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、碳化硅電熱體強度低、易氧化的缺點。因此,炭纖維電熱元件有著廣闊的發展潛力和市場前景。
  炭纖維復合材料在電熱方面的優異性能,早在上個世紀60年代就引起了國內外電熱工作者的重視,但是由于條件的限制,沒有新的突破和進展。隨著科技的進步,國內、外電熱科技工作者在炭纖維電熱功能應用技術的開發方面取得了重大的進展。二十世紀八十年代初,先后研發出長絲炭纖維編織布和短絲炭纖維發熱電纜(這是與紙漿混合制作成電阻紙膜再與絕緣的樹脂材料復合制作而成),用于加熱和采暖。這種電加熱結構存在著炭纖維在紙漿分散不均勻、發熱板熱壓合力度不夠和電極連接難以及電氣性能不穩定、成本高等問題,一直延續到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的研究,我們的研究沒有重復過去的思路,而是采用一種全新開發的思想,經過多年潛心研究,率先解決了“炭纖維做電熱體在500℃—1200℃工作狀態下電氣性能穩定和電極連接穩定可靠”這兩大困擾著國內外電熱工作者的技術難題,使炭纖維電熱應用技術有了根本性的突破和進展,從而順利實現了長絲炭纖維材料與無機絕緣材料、金屬材料、樹脂材料、石英玻璃材料、陶瓷材料的復合制作電熱元件產品的技術,為炭纖維電熱產品引領市場風騷奠定了堅實的基礎。
  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相高的電負性,使氟塑料具有優良的耐高低溫性能、奇特的化學穩定性、優良的介電性能、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,所以不會和氧發生反應。鐵氟龍具有耐熱、耐低溫、耐蝕性、異優的非粘著性及自潤性、低磨擦系數等特性。
  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,再經高溫裂解而得四氟乙烯單體,在引發劑作用下聚合而成的。聚四氟乙烯是非極性直鏈形的結晶性高分子化合物,外觀為白色蠟狀,一般制品的結晶度為55~75%,它具有優良的介電性能、耐化學藥品性、而候性、不粘性和低摩擦系數等特性。聚四氟乙烯塑料有特異的耐化學腐蝕性,它對于濃酸、濃堿或強氧化劑,即使在高溫下也不發生任何作用,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象之外,酮類、酸類、酯類等有機溶劑對聚四氟乙烯部無作用,不會發生重量變化及溶脹現象。對它能發生作用的僅為熔融態的堿金屬、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,力學性能無降低,390℃每小時失重0.006%。它的介電性能優良,并且電性能不受頻率和溫度的影響,可在250℃下長期工作。力學性能較好、熱導率高、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,廣泛應用于既而高溫,又要求具有良好的介電性能或化學穩定性的場合,化學工業用作耐腐蝕襯里、容器;電機電子工業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、雷達、電視、火箭等不可缺少的材料之一。
  炭纖維電熱電纜的技術指標
  1.發熱啟動電壓為: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%(根據檢測,柔性線狀炭纖維電熱元件節電效果比金屬電熱元件節電高達30%。在節電的前提下我們開發生產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到接近人體的溫度。)
  炭纖維電熱電纜的安全指標
  1、安全檢驗條件(1)加熱電源:(AC)交流。(2)88W通電回路工作狀態下。
  2、安全檢驗結果
  (1)在常溫空氣中(有足夠的散熱)
  絕緣電阻:≥500MΩ絕緣強度:5000V(AC)(1min,50HZ耐壓,無閃爍擊穿。)
  泄漏電流:≤0.02mA
  (2)在常溫空氣中(保持發熱80℃)
  絕緣電阻:≥500MΩ絕緣強度: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絕緣強度:4000V(AC)(1min,50HZ耐壓,無閃爍擊穿。)
  泄漏電流:≤0.02mA
  (5)機械強度
  炭纖維發熱體在工作電流50mA通電回路工作狀態下,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,是世界公認的遠紅外發熱產品,用多根同等阻值是相等的發熱線并聯,等發熱電纜被加上220V電壓后,電流在發熱線中通過,由于受到電阻值的阻礙,電能轉化為熱能并以遠紅外輻射形式散發出來,炭纖維是黑體材料,電熱轉換率在99%以上。熱量首先被水泥層所吸收,通過傳導和遠紅外輻射形式加熱房間內物體。
  二、耗電量及節能方式
  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、室內外溫差以及空氣的交換速度、用戶的使用習慣等因素。熱空氣的物理性質是向上運動的,同等面積地面的熱利用率最高。電熱地板采暖系統的發熱體安裝在地板材質下面,相當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,當室內溫度高于溫控器設定的溫度時,系統電源自動關閉。在系統處于休眠狀態時,地板和室內物體所儲存的熱量,在此時釋放出來,等地板的溫度釋放到一定程度,溫控器所設定的溫度值高于空氣中的溫度時,系統將再次啟動。在使用地板采暖系統過程中,應該就像節電節水一樣,養成節電的習慣,室內如果無人或上班時,溫控器應調制在節能溫度10—12度,長期無人居住的房間可以將系統關閉。
  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、絕緣強度高等特點。幾乎對所有的有機物質豆油耐腐蝕性,炭纖維發熱線埋設于2—3公分厚的結構層(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可以安裝在潮濕的房間,如浴室、游泳池等。炭纖維發熱電纜的最高溫度也不超過70度。此外,炭纖維發熱線纜都是經過3000V以上的高壓測試,可以放心使用。
  四、炭纖維電地暖系統對地面飾材的要求
  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,但木質地板要求有所不同。根據地暖的工作特性,木質地暖地板應符合兩個條件:1、適應冷熱反復變換,變形量小;2、有利于熱傳導。目前市場上除了地暖專用地板外,其他流行的幾種地板中,實木地板變形率最大,一般不用于地采暖。強化復合地板變形量最小,因為它的基材每層間橫豎交錯,互相牽制,背面還有密集的抗變形溝槽,分解了受熱面產生的應力。地板的導熱性與地板的厚度有關,實木復合地板與強化復合地板厚度差不多,但強化地板一直是地熱地板的主力軍。強化地板在地板變形率、表面耐磨、清潔保養等方面都具有明顯的優勢。
  五、什么是遠紅外輻射電地暖系統
  熱的傳遞方式有三種,分別是:傳導、對流和輻射。傳導:冷熱物體通過接觸進行熱量傳遞。對流:冷熱物體通過水和空氣等中間物質進行熱量傳遞。輻射:傳熱不依靠物體的接觸進行熱量傳遞。而像陽光穿過太空一樣的向地球輻射熱量,將熱源內能轉化為輻射能,直接輻射給其它物體,這種傳遞方式比較直接,熱量轉化中間環節少,是一種節能的傳遞方式,智能電熱地暖系統就是以電力為能源,發熱體將電能直接轉化為熱能,以輻射方式對房間的物體進行加熱,它能使人體體內的原子和分子產生共振摩擦從而使人感覺到由內向外的熱量,置身于這種環境中,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,輻射供暖系列產品經國家權威部門應用專家檢測,大部分產品輻射波長在5—15微米之間,屬于遠紅外輻射,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,使微血管擴張,促進血液循環和新陳代謝,使組織細胞更加充滿活力,增強免疫力,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能建筑
  電熱地暖系統的整體目標是為國家節約能源,減少環境污染,眾多用戶而言,該系統的目標是讓用戶舒適、健康、自由控制,運行費用低,根據專家檢測,電熱地暖系統所設計的熱量負荷80%用以補充房間內熱量損失,只有20%的熱量是用以取暖及提升房間溫度,房間內空氣及物體溫度的上升只需少許能量即可達到,避免了大部分能量流失和浪費。在國外,許多年以前,國家及其政府部門就規定新型建筑必須為節能建筑,其目的就是提高能量的利用率,其結果是冬季取暖、夏季制冷能耗大大降低。有的建筑每平米只安裝幾十瓦,就可以達到取暖效果。現在,我們國家相關部門及地方政府也對新型建筑作了倡導與規定,新建住宅都要按照節能建筑的方案設計,所以為了節約能源,降低用戶取暖費用,使電熱地暖達到良好的運行效果,對建筑物的要求也越來越高。
  八、如何達到智能控制的目的
  炭纖維地采暖系統運行使用智能控制系統,能夠合理安排各個房間時段的供暖溫度,可避免無功供暖,節省大量能源,省錢省力又省心,其具體實施方法是采用可編程溫控器等高科技智能自控裝置,這種裝置可自動實現溫度自動控制和時間自動控制,用戶根據自己的活動規律,自編程序,將程序儲存在控制系統中,電熱地暖系統將按程序命令自動運行。
  九、第一次通電運行初期用電量較大
  供暖系統每年第一次通電時,房間內的物體、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到一個平衡狀態。
  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,另一部分為內墻損耗。如果入住率高,樓內各家各戶都取暖,內墻損耗基本為零:而入住率底,內墻損耗將大大增加,所以入住率的高低會決定用戶取暖費用的高低。
  十一、炭纖維電取暖產品工作的表面溫度是多少
  發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,在長時間不斷運行的條件下,表面溫度不會超過70度,當線纜溫度達到18度時,房間內地面溫度約為(20—28)度(瓷質地板磚略高一些)。
  十二、炭纖維電地暖系統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熱線外絕緣材料,是鐵氟龍材料。并且每一批發熱線都經過多層絕緣處理和浸水測試,在安裝電熱地暖系統之前,必須配備與房間功率相近的漏電保護裝置,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,電熱采暖從未出現任何因老化而影響使用的現象。這種產品在正常使用中、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的經濟性
  對于一間10m的房間,在滿足一般采暖需要情況下,采用一套高品質的智能電熱地暖系統的價格為1800—2200元人民幣,價格并不高于一塊優質地毯。關于耗電量,一般電熱地暖系統在鋪設時,每平方米功率約80—100瓦,在使用中由于溫控器的自動調節,通電加熱是一個斷斷續續的過程。一般來說,其耗電量只有同等面積供暖的暖風空調的30%,但卻能創造更舒適的環境。另外,在有供電分時收費的地區,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,減少正常收費時段用電的50%。

所屬類別:媒體報道

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