石墨烯电加热元件热_力耦合性能_陈诺.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：陈诺，黄寅良，蔡玉飞，等 石墨烯电加热元件热 力耦合性能 科学技术与工程，（）：.，（）：.航空、航天石墨烯电加热元件热 力耦合性能陈诺，黄寅良，蔡玉飞，朱春玲（.南京航空航天大学航空学院，南京；.江苏科技大学能源与动力学院，镇江）摘 要 现有的电加热防 除冰组件存在着能耗高、柔性差及升温速度慢等问题，给飞机机载能源提出了较高的要求。以加热元件温升特性、热均匀性为优化目标，获得其最优构型，并提出加热元件的制备工艺。针对加热元件进行了热 力学特性试验，结果表明相较于环境温度，热流密度对加热元件热力学特性影响更大；加热元件在不同力学负载下仍能保持良好的热力学特性。可见基于复合材料的石墨烯电加热元件在飞机防 除冰领域具备优良的应用前景。关键词 加热元件；石墨烯；电加热；热 力学特性中图法分类号.；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：陈诺（），男，汉族，上海人，硕士，工程师。研究方向：飞机防 除冰技术。：。通信作者：朱春玲（），女，汉族，江苏南京人，博士，教授。研究方向：飞机防 除冰技术。：。，（.，；.，），；飞机穿过过冷云层时，机翼表面极易结冰，前缘积冰会改变翼型的气动外形，致使飞行升力下降、阻力上升，严重影响飞行安全，为降低或避免因飞机结冰而对飞机安全造成的安全隐患，各国研究机构投入了大量的资源到飞机的结冰、防冰和除冰方面的研究中，出现了多种防 除冰技术。当前防 除冰技术可分为主动与被动两种方法，主动防 除冰方法包括气动带除冰技术、热气防 除冰技术、电热防 除冰技术以及电脉冲除冰技术等；被动防冰方法包括特殊涂层防冰、液体防冰和黑色面漆防冰，被动除冰主要通过柔性叶片的柔性活动破坏冰层。热防 除冰技术是目前技术上较为完善、使用较为普遍的飞机防 除冰技术，它主要分为热气式防冰系统和电加热防 除冰系统。电热防 除冰技术的基本原理是利用内部发热单元将电能转换成热能，而热量再经由内部多层结构热传导到防护区域表层，并以此实现防 除冰的效应。电加热防冰系统存在的目的是杜绝飞机表面发生结冰现象，它需要飞机在穿越过冷云层之前开启，利用电加热原理，使飞机表面的温度超过结冰温度点，使水滴无法完全结冰；电加热除冰系统允许飞机蒙皮表面出现短时间结冰，并通过电控系统周期性的启动，运用热传递原理，把热量传给除冰区表层，从而打破积冰沉积物和固体壁面之间的黏附力，从而实现飞机除冰效果。投稿网址：近年来复合材料由于其高比强度、高比模量和质量小等优良特性，在飞机制造业领域中应用极为广泛。但是源自复合材料本身的导热性和耐热性能差这一特点，复合材料在防 除冰领域的工作中会在耗费巨大能量的同时可能会造成基材的损伤，所以对加热元件材料的选择就变得非常重要。发热元件是电加热防 除冰系统中的核心，发热元件材料的选取和布置结构会极大影响系统的防 除冰性能。复合材料的缺点很大程度上限制了电加热防 除冰技术在飞机防 除冰领域的应用，因此需寻求一种柔性轻质、导热强、导电快、机械性能优异的材料作为加热元件。石墨烯是一种单分子二维碳纳米材料，碳原子之间基于 杂化连接，是目前最薄且刚性最大的金属材料，除此之外，它还拥有极大的比表面积和良好的导热特性，导热系数为 （），是目前导热系数最高的碳材料。近几年来，研究学者们对石墨烯加热膜在电热防 除冰上的应用开展了一系列的实验研究，实验结果表明石墨烯在电热防 除冰领域具有巨大潜在应用价值。等利用碳纳米管制备碳纳米管（，）网作为复合结构的防除冰电热元件，在质量和温度均匀性方面都取得了很好的结果，等通过浮动催化剂化学气相沉积方法形成了具有高导电性的碳纳米管膜（）、该薄膜（.）在.低压下在 后升温至 ，此外，电热性能在弯曲和扭曲变形以及开 关电源切换周期 次后仍保持稳定，最后的除冰试验显示，嵌入 的 垫片复合材料接通 电压后能在.内将 厚积冰融化。但以上研究仅是对材料本身属性的研究，并未细究相应加热元件的构型以及在构型下的加热元件在有无力学负载下的热力学性能。现设计出一种并联结构的加热元件构型，并对该构型加热元件在低温冷环境下的热力学特性以及在静力负载、扭转变形、弯曲形变等状态下的传热性能进行试验研究，以此验证该元件在热力耦合条件下依然能够满足防 除冰需要。低温冷环境下石墨烯电加热元件热力学性能试验.石墨烯电加热元件的设计与制备飞机防 除冰系统中加热元件的尺寸主要是由防护面积决定，选取热熔式聚酰亚胺薄膜作为加热元件封装材料，用高精度激光切割机将 大小的石墨烯整膜切割成加热条，再利用铜带将石墨烯条布置成不同构型，构型一般可分为串联、并联以及串并联结构。各石墨烯条串联时电阻值较大，使用会受到电源功率大小的限制，一般用于大功率电源；串并联时电极条设计复杂，会出现各串联区域功率密度分布不均匀的问题，一般应用在防护表面温度的分区控制；并联时工艺较简单，并且当各石墨烯条长度一致时，热流密度均相同，因此其可控性较好且便于生产制备。设计流程如图 所示。图 加热元件设计流程.根据上述流程确定了加热元件构型为加热元件中加热条宽度为 ，加热条间隔为 。.试验台搭建与温度平均化处理为探究低温冷环境下石墨烯电加热元件的热力学性能，搭建了试验台如图 所示，利用该试验台测量了石墨烯电加热元件在低温冷环境下的温升以及温降过程。图 加热元件热力学性能测试试验台.对整体平板粘贴电加热薄膜区域进行了温度平均化处理，即利用红外相机及其配套软件选择加热区域。加热后的红外图像以及选择区域如图 所示，而在后续试验中也将通过监测区域平均温度的变化来研究加热元件的热力学、热力耦合性能。.低温冷环境下环境温度对组件热力学性能的影响规律研究为了探索结冰环境温度对加热元件传热性能的影响情况，分别测量了不同低温冷环境下粘接石科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 加热元件加热时红外图像.墨烯加热元件的复材板件表面的温度变化曲线，并且记录了如图 所示区域中的温度最大值与温度最小值差值的变化曲线，并以此时刻差值与该时刻温度最大值的比值作为衡量加热元件热均匀性的标准，不同环境温度时的试验参数如表 所示。功率密度均指电加热元件施加功率与电加热元件总面积的比值，不同低温冷环境下温度的测量结果如图、图 所示。由图 可知，在.的热流密度下通电 左右，复材表面温度从 、上升至.、.、.，对应平均温升速率为.、.、.，不同冷环境温度下复材表层温升变化趋势基本相同，并随着通电时间的增加，温升速率逐渐下降但温度依然呈缓慢上升趋势，最后当表层与周围环境的对流换热量和加热组件的传热量平衡时，温度逐渐趋于稳定。然而总的来看，无强迫热对流状态下，环境温度对加热元件的平均温升速率影响较小。由图 可知，温差在前 保持在 之内，复材板件表面的温差呈现上升趋势，温差出现的原因是石墨烯材料的不均匀性、封装时由于手工转印导致出现空气层以及胶层的涂抹不均，温差产生波动是因为选用的热成像区域中位于温度最大值和最低值的温度点并不是一成不变的，于是导致温差变化曲线出现跳点。在 、环境温度下温差分别占温度最大值的.、.、.，可认为加热元件的热均匀性良好。随着技术的革新，转印封装制备环节将由机械完成，均匀性的问题会得到更好的解决。.低温冷环境下热流密度对元件热力学性能的影响规律研究为了探索低温冷环境下热流密度对加热元件传热性能的影响，分别测量了不同热流密度下黏结表 不同环境温度时试验参数 环境温度 基板材质基材厚度 功率密度（）复材（玻纤）.复材（玻纤）.复材（玻纤）.图 不同环境温度下区域温度均值变化曲线.图 不同环境温度下区域温度差值变化曲线.石墨烯加热元件的复材板件表面的区域温度均值、区域温度差值变化曲线。试验参数如表 所示。不同热流密度下区域温度均值、差值的变化结果如图、图 所示。由图 可知，在 的低温冷环境下通电，分别施加.、.、.的热流密度，复材表面温度分别从 上升至.、.、.，对应平均温升速率为.、.、.，可见热流密度越大，其表面的温升速率就越大，在相同的时间内也就能达到，（）陈诺，等：石墨烯电加热元件热 力耦合性能投稿网址：表 不同热流密度时试验参数 环境温度 基板材质基材厚度 功率密度（）复材（玻纤）.复材（玻纤）.复材（玻纤）.图 不同热流密度下区域温度均值变化曲线.图 不同环境温度下区域温度差值变化曲线.越高的温度，并且随着通电时间的增加，温升速率逐渐下降使得温度由原来的快速上升趋势变为缓慢上升趋势，最后当表层与周围环境的对流换热量和加热元件件的传热量平衡时，温度逐渐趋于稳定。而在 后，停止加热，整体温度呈下降趋势，由于 种热流密度下选择的是同一区域温度，所以下降趋势大致相同。由图 知，在.、.、.的热流密度下，温差在前 内分别为.、.、.，其温差与该时刻温度最大值的比值为.、.、.，可认为该加热元件热均匀性良好。石墨烯电加热元件热力耦合性能试验探究.热力耦合试验台搭建为了探究静力、形变对于石墨烯电加热元件热力学性能的影响，利用 电液伺服材料试验机与 热成像仪等仪器搭建了相关试验台，图 为试验台示意图，利用该试验台测量了石墨烯电加热元件在静力、形变过程中的热力学性能变化。图 加热元件热力耦合性能测试试验台.拉伸形变对加热元件热力学性能的影响为了探究静力负载、拉伸形变条件下加热元件热力学性能，将根据以下试验步骤开始试验。（）将黏结加热元件的 厚度铝合金平板的两边进行夹持。（）开启 拉伸机，待观察到应变位移为 后进行保载操作，维持应变位移为 ，此时开启热成像仪和电源使加热元件开始工作。（）开启热成像仪 后继续施力，待应变位移到 后进行保载操作，维持应变位移 。（）保载 后，继续施力直至位移到 后进行再一次的保载操作，维持应变位移为 。（）第二次保载 ，继续施力直至拉力出现阶跃跳点即板件破坏。（）记录应力、位移、温度等试验数据。按照上述操作进行试验，记录相关的拉伸位移时间曲线，由于铝合金板件在位移 处会出现破损，无法进行精确的保载，于是将重点关注 位移前的板件热力学性质变化。而为了探索常温环境下拉伸形变、静力负载对加热元件传热性能的影响情况，分别测量了拉伸与未拉伸情况下粘接石墨烯加热元件的复材板件表面的温度变化曲线，试验参数如表 所示。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：而在各个时刻的铝合金平板件位移时间曲线如图 所示。在如图 所示的位移拉伸形变过程中，红线为拟合后的拉伸位移曲线，在两次保载过程中位移几乎不发生变化，而继续施力时由于板件材料本身的特性，位移发生阶跃跳动。其中铝合金平板在未拉伸和拉伸时的温度选择区域如图、图 所示，热成像仪将记录图中区域内温度的变化情况。图、图 为未拉伸与拉伸时的区域温度均值和区域内温度最大值与最小值差值的变化曲线。在常温环境下通电 ，在未拉伸与拉伸情况下，复材表面温度分别从 和 上升至.和.，对应总体平均温升速率为.和.。表 铝合金板件热力耦合试验工况 拉伸情况环境温度基板材质基材厚度热流密度（）拉伸室温铝合金.未拉伸室温铝合金.图 铝合金板件位移时间曲线.图 拉伸时红外图像选择区域.图 未拉伸时红外图像选择区域.图 拉伸前后区域温度均值变化曲线.图 拉伸前后区域温度差值变化曲线.根据图 中保载情况，为 位移保载阶段，在未拉伸与拉伸情况下，复材表面温度分别从 和 上升至.和.，平，（）陈诺，等：石墨烯电加热元件热 力耦合性能投稿网址：均温升速率为.和.，前者较后者增加了.。而 为 位移保载阶段，在未拉伸与拉伸情况下使复材表面温度从.和.上升至.和.，平均温升速率为.和.，前者较后者增加了。由此可见，随着拉伸位移量的变大，其升温速率也随之变小。由图 可知，在拉伸情况下，由于整体温升速率的变缓，导致温差变化相较未拉伸时变化更小，在 位移保载阶段时，未拉伸与拉伸情况下，复材表面温差分别从.和.上升至.和.。位移保载阶段时，未拉伸与拉伸情况下，复材表面温差分别从.和.上升至.和.，可见随着位移的变大，其表面均匀性反而越好。.扭转形变对加热元件热力学性能的影响为了探索常温环境下扭转形变、扭矩对加热元件传热性能的影响，分别测量了不同扭转角下黏结石墨烯加热元件的复材板件表面的温度变化曲线，将根据以下试验步骤开始试验。（）将粘接加热元件的 厚度玻纤复材平板的两边按照事先测试的夹持力进行夹持。（）开启 拉伸机，待观察到扭转角为后进行保载操作，维持扭转角为，此时开启热成像仪和电源使加热元件工作。（）开启热成像仪 后继续施加扭矩待扭转角为 进行保载操作，维持扭转角为。（）保载 后，继续施加扭矩直至位移到后进行再一次的保载操作，维持扭转角为。（）继续保载 ，继续施加扭矩直至扭矩出现阶跃跳点即板件破坏终止试验。（）记录扭矩、扭转角、温度等数据。试验参数如表 所示。由于玻纤平板在扭转角 处会出现破损，无法进行精确的保载，于是将重点关注 扭转角前的板件热力学性质变化。扭矩时间曲线和扭转角时间曲线如图 所示，红线为拟合后的扭矩时间曲线，次保载过程中扭转角几乎不发生变化。表 玻纤板件热力耦合试验工况 扭转角（）环境温度基板材质基材厚度热流密度（）未扭转室温玻纤.室温玻纤.室温玻纤.利用红外相机记录区域内温度的变化情况，玻纤复材平板在未扭转和扭转时的温度选择区域如图、图 所示。未扭转与扭转时的区域温度均值和区域内温度最大值与最小值差值的变化曲线如图、图 所示。图 玻纤板件扭矩时间曲线和玻纤板件扭转角时间曲线.图 未扭转时红外图像选择区域.图 扭转时红外图像选择区域.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：在常温环境下通电 ，在未扭转情况下使复材表面温度从.上升至.。在扭转情况下使复材表面温度由.上升至.，对应总体平均温升速率为.和.。为 扭转角保载阶段，未扭转情境下复材表面温度从.上升至.，在扭转情况下复材表面温度由.上升至.。平均温升速率为.和.，后者相较于前者增加了。为 扭转角保载阶段，在未扭转情况下复材表面温度从.上升至.，扭转情况下复材表面温度由.上升至.，平均温升速率为.和.，后者比起前者增加。由此可见，随着扭转角的变大，板件的升温速率增加更多。由图 可知，在 时，未扭转温差占温度最大值 的.，扭 转 后 温 差 占 温 度 最 大 值 的.，无论其承载的扭矩多大，表面扭转变形有多剧烈，其表面的均匀性相较于未扭转时反而更好。图 扭转前后区域温度均值变化曲线.图 扭转前后区域温度差值变化曲线.弯曲形变对加热元件热力学性能的影响为了探索常温环境下弯曲形变对加热元件传热性能的影响情况，搭建了如图 所示的试验台，其中光学孔板起到定位作用，使得升降台和电动滑台能够保持相对位置不动；通过高精度步进控制器，实现定量控制平板弯曲形变，试验参数如表 所示。利用红外热成像仪分别测量了不同弯曲角度下粘接石墨烯加热元件的复材板件表面的温度，热成像仪选择区域如图 所示，图、图 为未弯曲、弯曲 和弯曲 时的区域温度均值和区域内温度最大值与最小值差值的变化曲线。在常温环境下通电 ，在未弯曲、弯曲、弯曲 情况下铝合金复材表面区域温度从.、.、.上升至.、.、.，可图 弯曲试验试验台.表 铝合金板件弯曲试验工况 弯曲形变（）环境温度基板材质基材厚度热流密度（）未弯曲室温铝合金.室温铝合金.室温铝合金.图 弯曲试验时温度监测区域选择.，（）陈诺，等：石墨烯电加热元件热 力耦合性能投稿网址：图 弯曲形变量对区域平均温度的影响.图 弯曲形变量对区域温差的影响.见弯曲程度越大，其表面的温升速率就越大，这是因为板件弯曲位置的电阻发生了变化，弯曲量越大，电阻越小，根据并联电路电压相同的特性，可以得出该位置功率变大，且由于其弯折过后，该区域处部分温度点散热变差，故板件表面温升速率变大。由图 可知，在不同弯曲程度下，弯折处电阻差值开始变大，导致不同微元点功率差值变大，则温度差值变大，时，未弯曲、弯曲 和弯曲 情况下铝合金复材表面区域温差分别占温度最大值的.、.、.，其均匀性有一定程度的减小，但是由于温升速率变大使得加热元件依然能够满足防 除冰需要。结论根据基底尺寸、防护范围、石墨烯电阻值等因素设计了相对最优的电加热元件排布方式，并提出了基于复合材料的石墨烯加热元件制备工艺。针对所制备的电加热元件，研究了其在不同低温冷环境、不同热流密度的温升特性以及热均匀性。此外还研究了基于复合材料的加热元件在不同静力负载、扭转形变、拉伸形变等力学条件下的热力耦合性能，为翼型电热防 除冰系统设计提供重要的理论基础以及技术支撑，得出了以下结论。（）环境温度对加热元件的平均温升速率影响较小，并且环境温度的改变与否，加热元件都可保持良好的热均匀性。（）加热元件的温升速率会随着热流密度的增大而升高，并且热均匀性会随着热流密度的变大而变差，但总体变化趋势不大，加热元件依然能保持良好的热均匀性。（）随着拉伸位移量的变大，加热元件的升温速率也随之变小，而在拉伸位移、静力负载的情况下，加热元件件依然能保持较好的加热效果以及均匀性。（）随着扭转角的变大，加热元件的升温速率也随之变大，而无论其承载的扭矩多大，表面扭转变形有多剧烈，其表面的均匀性相较于未扭转时反而更好。（）随着弯曲程度的变大，加热元件的温升速率就越大，而热均匀性会有一定程度的变差，但是由于温升速率变大使得加热元件依然能够满足防除冰需要。综上，采用所提出的工艺制备出的加热元件相比于环境温度，热流密度对于加热元件温升速率的影响更大，而在搭载拉伸形变、弯曲形变、扭转形变的情况下，加热元件能实现快速升温，并且保持良好的热均匀性。参考文献 周莉，徐浩军，龚胜科 飞机结冰特性及防除冰技术研究中国安全科学学报，（）：，（）：雷桂林 电热防冰除冰及冰融化相变换热机理研究 上海：上海交通大学，：，.，（）：.肖春华，林贵平，桂业伟，等 冰脱落对电热除冰传热特性的影响研究 空气动力学学报，（）：，科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：，（）：.熊建军，刘锡，冉林，等 基于控制律的电加热防除冰系统设计与验证 测控技术，（）：，（）：熊建军，倪章松，赵照，等 飞机模型电加热防 除冰控制系统设计与应用 第十六届中国航空测控技术年会论文集 北京：航空工业测控技术发展中心，：，：，：.马莉娅，熊联友，刘立强，等 用于碳纤维复合材料的电热除冰技术试验研究 航空学报，（）：，（）：.，：，：.董华，周倩楠，张敬奎，等 石墨烯 碳纳米管 环氧树脂复合材料导热性能的试验研究 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