碳纤维发热布的设计与开发

陈承忠

碳纤维发热布的设计与开发

陈承忠

（浙江庆元赛博电子科技有限公司，浙江 丽水 323000）

碳纤维属于非金属导电材料，有着一般的碳素材特性，实际应用的过程中可以表现出良好的导电导热耐腐蚀特性，可以加工成各种织物，分析了碳纤维发热布的设计开发。

碳纤维；发热布；设计开发；设计原则

1 碳纤维电热性能

1.1 应用特点

碳纤维是一种其他导电材料，具有普通碳材料的耐高温、耐磨、导电、导热和耐腐蚀的特点。与普通的碳材料不同，它具有精致柔软的外观，可以粗加工成各种织物材料，在制造业和日常生活中具有广阔的发展前景。在碳纤维及其合金的基本材料中，碳纤维结构是最导电的材料。它的导电机理不同于其他合金材料，并且取决于非局部特性。碳化和石墨化温度降低的幅度越大，石墨碳层越发达，系统形成键的非局部区域越大，电导率越好，整体导热性和散热性就越好。碳长纤维的性能以及电加热器的开关效率超过90%，节能环保效果非常显著，可以尝试避免热量积聚和过热的突然发生，进而延长使用寿命。

1.2 性能优势

碳钎焊加热电缆中的碳植物纤维由直接进口的所有其他材料制成，再加上柔软细腻、更具弹性的硅橡胶、玻璃纤维复合材料线和镀锡铜线，绝缘并编织成。该过程非常复杂，并且安全性能高。在电源电路的其他工作条件下，操作后电压为50 mA时，不会损坏碳焊料和涂层材料。金属加热电缆通常使用聚氯乙烯作为护套，其耐高压性和耐弯曲性较差。碳钎焊和稍微加热的通信电缆使用金属材料和其他材料作为原材料，因此可以保证轻型加热体的使用寿命达1 000年。外导体保护膜由硅橡胶、玻璃纤维复合材料线和镀锡铜线制成，可保证实际使用寿命超过50年。在相同条件下，碳纤维加热的高压电缆的实际寿命比纯金属通讯电缆的实际寿命更长。打开或关闭合金加热电缆时，会导致各种金属成为真实材料。它不会产生最重要的瞬时功率输出，并且功率也可能超过额定输出峰值功率的2倍。此外，完全启动后，如果在一定时间内未超过额定输出，其他工作将继续供电。在达到额定功率之前，将恢复其他功能，然后将正常额定值恢复为其他额定功率。由于碳纤维复合加热电缆中没有新的强电流脉冲，因此它将在完全启动和所有停机期间保持良好的额定输出功率，并在运行后保持额定功率，并且不会瞬间产生最重要的峰值功率。

2 设计原则

2.1 发热性能稳定性

碳纤维加热纤维布在使用过程中可以保持相同的电阻值，并且可以提供不变的加热功率。在实际数据的2个生产过程中，碳纤维电热布的电阻值会由于许多重要因素的影响而发生变化，例如在使用过程和生产过程中选择的原材料，因此必须对其进行测试，在拉力、压痕、压力等明显变形作用下的挤压变形也必须通过变形试验。该试验应通过交替的温度和空气湿度试验、冷热循环期间的热疲劳试验以及汗滴和大雨的侵蚀来承受。因此，在碳纤维结构电加Zasan的独特设计中，应充分考虑影响大电阻值的其他这些因素，以确保整体加热性能的相对稳定性。

2.2 显热温度均匀性

加热室中温度的施加均匀性意味着加热区域中的加热温度均匀下降。如果加热室内的温度差异更加严重，则加热布局可能会烧穿，甚至引起严重的烧伤。碳纤维结构丝的厚度的均匀性和碳化度的温度分布的均匀性对加热度的均匀性有影响。由于接触不良，金属材料线和埋入的纤维结构线之间的连接点通常由于加热不均匀而不均匀。在详细设计碳纤维长电加登珠灯时，应当选择碳化分布均匀，碳纤维结构丝涂层均匀的非发热体。碳素植物纤维丝均匀地分布在加热布的表面上，并且间隔以合理的方式排列，纤维丝可以稳定连接。

2.3 安全、舒适性

一些碳纤维发热元件的电压值和输出功率对于使用 220 V输出电流的发热元件是安全的，即在36 V和输入电压的安全下使用本标准。还必须考虑局部低温燃烧损失的发生，以确保完全安全。但在详细设计碳纤维结构电热布时，应考虑电热布的阻燃性能和电气安全保证。与其他碳纤维电热元件（如碳纸、涂层工艺电热元件、电热膜等）相比，碳纤维电热布具有柔软、细腻、轻便、透气等突出优点，用于日常生产过程中可以表现出良好的特性。

3 结构设计

3.1 原料选择

碳植物纤维丝是加热布的核心，与金属材料线交织在一起，形成非导电加热电路的主体。在输入电压下会产生传导热。碳纤维结构线和纯金属线由西通纱组成。碳线和纤维线在所有间隔内都嵌入到织物材料的纬线方向，金属线沿翘曲方向分布在导电加热布的两侧。碳纤维电加登珠的结构表明，该织物具有不同的色织收缩率。两根经纱（金属丝和针织牛仔布）和两根纬纱（碳纤维纱和其他纱线）。设计方法和垂直面料会带来很多困难，以下描述了碳纤维短纤导电加热垫的一些设计要点。参照整个市场上32 cm×32 cm加热垫的规格比较，设计匹配的输出功率为45 W，输出电流为 12 V。加热其他材料时，可以根据上述设计方法的要求选择相同的类型或不同的类型。碳素植物纤维的值和相同宽度可以满足不同的需求。选择高质量的3K湿纺基碳纤维和连续长丝纤维作为加热垫的加热元件，其电阻值为1.5 Ω。

3.2 基体织物选配

碳纤维结构短丝和细铜丝是可实现加热布基本功能且不可替代的主要材料。为了确保最佳的传导加热效果和针织物的光滑表面，有必要根据碳纤维的铜线和铜线来选择和匹配基布纱线，即碳纤维的强度和刚度。基本金属织物的经纱应接近铝线的刚度，纬纱的径向刚度应接近碳纤维结构的短纤维的刚度，以防止相同的聚酯纤维不同的比例。但是，碳纤维丝和纤维丝在织物的背面都是圆形的，并且金属丝也起皱。在使用该标准的过程中，加上碳纤维的电加热，长碳纤维周围的温度非常高，在选用构成基本纺织品的经纬纱时，必须选用热控性好的植物纤维棉纱，以防止长期高温加热引起的热收缩和织物材料的综合性能降低，导致织物产生安全隐患，造成碳纤维结构电热布的问题。虽然局部高温和燃烧性能很小，但出于安全考虑，有必要综合考虑使用。个人推荐选用阻燃涤纶纱或碳纤维电热布进行阻燃收集整理。聚酯的初始模量很高，特别是高强度、低伸长率的聚酯。虽然在负荷下容易变形，但织物下面的机械纬纱是斜的，它可以更有效地防止碳丝弯曲并在金属丝上逐渐形成皱纹。另外，下降至普通玻璃化转变室的聚酯的温度为67 ℃，并且加热基体的加热温度通常约为40 ℃。这可以满足人类新陈代谢的需求，比较自然舒适。它低于摄氏聚酯的玻璃化转变温度，并且织物在使用过程中的弯曲和变形能力非常小。因此，加热座垫的底布的经纱和纬纱使用106.3tex聚酯低弹性纱。

3.3 织物组织设计

铜线纺织结构的选择应在接触之前考虑铜线与碳纤维结构线之间的紧密接触。请使用纱罗结构或平纹组织。为了减少机器的复杂性，可以选择碳纤维结构和底布、与底布相同的薄纸，并通过机织布和斜纹编织设计相关的组织，减少损坏。为了单独确保加热室内温度的混合均匀性，碳纤维和纤维丝之间的距离不应太大，它们中的大多数为13 cm。加热的座垫的织物结构是编织、碳和纤维。可以综合考虑碳长纤维丝和铁丝的直立强度和刚度而根据不同的特定目的设计电加热布的其他规格，并且它不应太独特而不能成为特别紧凑的结构。

4 性能测试

在GA747杆织机上，测试并编织了用于加热座垫的碳长纤维加热布。同时，两个加热布在两个宽度方向上延伸。后梁的实际高度为9 cm。剑杆织机进入棚子的时间为800 s，剑杆织机离开棚子的时间为2 800 s，织机速度为180 r/min，纬纱密度为23齿，相对湿度平稳编织过程影响很大。当纱线低时，羊毛纱线会严重断裂，无法正常编织，因此需要加湿，使湿度始终保持至少70%。铜线仅由纱架发送。尼龙低弹丝的最大张力不应太大。原则上，它可以确保开口是透明的，从而减少了由于较低的针织收缩率而导致的织物表面不规则性。短碳纤维不通过纬纱进给器，以增加短碳植物纤维的表面磨损。碳纤维丝的夹紧力可以通过各种良好的弹性夹具和导轮进行调节。为了加强对表面光滑的碳纤维短纤维的控制，应选择夹紧力大的剑作为矛尖。关闭机器后，可以将加热布加热到比室温低16.5 ℃的温度，完全可以达到预设部件设计的峰值功率范围。额定功率为42 W，碳纤维的加热温度降至43～44 ℃。而且布的平均温度下降到37～38 ℃可以持续较长时间相对稳定。利用自身碳的特性和纤维的导电发热，设计并开发了自主研发的碳纤维非导电发热布，具有广阔的市场前景。根据以上内容，有不同的使用要求。有许多方法可以合理地配置碳纤维结构细丝和铜线的总数，可以详细设计。工厂在不同的输出电压下会产生少量输出的不同功率和高功率。针织物可用作人体功能加热和保健的热源和材料。

5 结束语

应用碳纤维导电发热特性设计的碳纤维导电发热布有着广阔的市场前景，结合不同的应用需求可以具体设置铜丝数量长度以及碳纤维丝数量长度，进而就能够设计出不通电压不同功率条件下的发热织物。

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2095－6835（2020）20－0055－02

TS176

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.021

陈承忠（1973—），男，浙江庆元人，1999年毕业于哈尔滨理工大学（自学考试），机电工程师，2005年至今任职于浙江庆元赛博电子科技有限公司，总经理，主要研究碳纤维发热体材料、远红外健康理疗等产品。

〔编辑：王霞〕