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碳纤维的电热特性概述


一、碳纤维概述

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维,是由人造化学纤维、经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。


碳纤维具有碳素材料的通用特性,如耐高温、导电、导热及耐腐蚀等,同时,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好,沿纤维轴向表现出很高的强度,且碳纤维比重小。


碳纤维具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小、质轻、易加工等多种优异性能,现已广泛应用于航天、航空和军事领域等。


碳纤维的化学性能非常稳定,耐腐蚀,即使在硝酸和硫酸配成的“王水”溶液中,碳纤维也安然无恙。


碳纤维在工作温度≤200℃环境下使用时,很难观察到碳纤维发生化学变化,既没有明显的氧化发生,也没有碳化物和层间化合物生成。


通俗地讲,碳纤维是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。是新一代的基础材料。


二、碳纤维的电热特性

1.碳纤维的电热转换效率很高。最多可比一般金属发热体节能30%以上,其主要原因如下:

a)碳纤维是非磁性材料,也不存在磁损;

b)碳纤维的比表面积很大,通电发热后,有利于热量的散发。(碳纤维有几十万根单丝,每个单丝直径7微米左右,用数学方法,算出周长,再乘以长度,得到其总面积,再乘以几十万根,就是总面积,可以惊奇地发现:其面积之大,超越一般人的想象。)

c)碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成,是一种全黑体材料;

d)碳纤维是非金属材料,因此通交流电后没有趋肤效应。金属发热导体在通交流电时容易产生趋肤效应,产生能量损耗。


2.电气性能稳定,升温速度极快。碳纤维通电以后,在频繁启动、关闭和长期连续工作中,功率稳定在一定公差范围(±2%)之内,不会产生任何的瞬间功率冲击。其在通电2秒时就可以感到轻微的热量,在3~5秒时就能达到额定功率。 


3.电热转换过程中不存在弥散性的局部击穿问题,也就不会存在电热功率衰减,因此具有升温迅速、热滞后小、发热均匀、热辐射传递距离远、热交换速度快、抗拉强度高等特点。


4.远红外辐射效果佳,保健功能显着。碳纤维的能量发射方式是以远红外辐射为主,其中远红外辐射效率达到了70%以上。碳纤维通电以后,会辐射出红外线能量。辐射的红外线波长为2.3~14μm,这段波长的远红外线谱被称为“生命之光”,占整体波长的80%以上。同时它能够被空气中的水分子吸收产生共振摩擦热效应,实现了快速提高采暖环境温度的作用。


5.使用寿命长。碳纤维在频繁启动、关闭和长期连续工作中,无氧化、击穿现象,而且发热均匀。金属丝在高温状态下表面易氧化,由于氧化层不断的增厚,造成了有效通过电流的面积减小,增大了电流的阻力,恶性循环后造成局部过热点,因此易烧断。