3.2 填充式加熱器

聚合物中的熱能傳導(dǎo)是通過聲子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的（圖9(a）），聲子散射將導(dǎo)致聚合物的導(dǎo)熱性降低。添加導(dǎo)熱和導(dǎo)電填料，可以在聚合物基質(zhì)中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖9(b））可用于減少聲子散射和傳遞納米濾機(jī)由于其大面積體積比和優(yōu)異的滲透網(wǎng)絡(luò)性能，可以提供電氣和熱傳導(dǎo)。這意味著添加填充物可能會提高聚合物基質(zhì)的傳熱效果，即填料型電加熱元件的性能與導(dǎo)電填料的內(nèi)在電熱穩(wěn)定性、添加量和均勻分散程度密不可分。

圖9 聚合物中的熱能傳導(dǎo)機(jī)理

Jang 等人使用溶劑色散(SD）方法在矩陣中隨機(jī)分布CNT色散，形成CNT導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在20V下，對于CNT含量為7.0Wt%的CNT/聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合材料，溫度可以在幾分鐘內(nèi)達(dá)到100°C進(jìn)行固化，并發(fā)現(xiàn)隨著 CNT添加的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電性顯著提高，對于由輸入電壓控制的焦耳加熱的應(yīng)用，高導(dǎo)電性在能源中。這在效率方面是有用的，但應(yīng)該注意的是，當(dāng)碳納米管的濃度低于一定值（滲流閾值）時，CNT無法在基質(zhì)中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，從而降低導(dǎo)電性。不同的制備方法使CNT 具有不同的滲透閾值，因此在優(yōu)化添加量時，應(yīng)首先確定材料的相應(yīng)滲透閾值。隨著電阻的增加，最大固化溫度顯著增加，固化時間也大大縮短。

此外，聚合物基質(zhì)中填料的分散嚴(yán)重限制了填料的性能。Wang和Jiang等人使用三輥軋機(jī)的非溶劑分散工藝，并利用輥之間的強(qiáng)剪切力將CNT均勻分散到聚合物基質(zhì)中，制備了一系列厚度約為700微米的多壁碳納米管(MWCNT)/環(huán)氧樹脂薄膜。準(zhǔn)備過程和配置如圖10（a）、(b）所示。實驗結(jié)果表明，復(fù)合薄膜的電加熱行為在很大程度上取決于MWCNT含量和施加電壓。當(dāng)施加電壓為 10v時，0.05 Wt% MWCNT 含量的復(fù)合薄膜的表面溫度不會改變，但當(dāng)施加電壓為 20V 時，表面溫度可以在~30秒內(nèi)達(dá)到平衡溫度。當(dāng)含量增加到0.07 wt%時，平衡溫度會相應(yīng)增加。圖10(c)、（d）分別顯示了用于表征電加熱行為的電加熱行為測試示意圖和紅外圖像。

圖10 制備多壁碳納米管(MWCNT)/環(huán)氧樹脂薄膜的準(zhǔn)備過程和配置

除了CNT外，石墨也是導(dǎo)電填料的良好候選材料。然而，由于石墨和聚合物之間的相互作用很弱，在聚合物中適用需要面對許多困難。為了找到上述問題的解決方案，最近的研究表明，可以在石墨聚合物基質(zhì)中添加少量CNT，以提高材料的電熱性能和兼容性。Park等人使用石墨薄片作為主要填充物，制備納米復(fù)合材料的平面加熱元件。準(zhǔn)備過程如圖11所示。在制造過程中添加了少量（10Wt%）的氨基功能化MWCNT (a-MWCNT)。a-MWCNT可以改善聚合物和MIWCNT之間的相互作用，并促進(jìn)形成分散良好的分布。

圖11 石墨薄片作為主要填充物制備納米復(fù)合材料的平面加熱元件

除了實驗研究外，松崎等人根據(jù)非定常傳熱方程模擬了固化反應(yīng)，計算了熱膨脹和固化收縮造成的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，由于CNT集料的不均勻電導(dǎo)率可能導(dǎo)致非常高的局部殘余應(yīng)力，因此有必要考慮導(dǎo)電性的均勻性，以準(zhǔn)確測量填充CNT樹脂的殘余應(yīng)力。此外，聚合物熱膨脹系數(shù)(CTE)差異導(dǎo)致的元素電阻變化也是填料加熱器設(shè)計中的關(guān)鍵考慮因素。

因此，不難看出，對于填料型加熱器，填料的類型，固有的電熱穩(wěn)定性和色散性開發(fā)的CNTF固化工藝不適合制造厚復(fù)合材料。換句話說，它可以表明加熱元件的數(shù)量對厚復(fù)合材料的制造有一定的影響。然而，CNTF還是有望成為新一代加熱材料，并成為具有集成結(jié)構(gòu)和功能以及低能耗固化復(fù)合材料加熱器的復(fù)合鋼筋階段的理想選擇。

4.復(fù)合材料的性能

ERHC制備PMC性能通常受到工藝因素以及與加熱元件固有性能相關(guān)的因素的影響，如圖12所示。本節(jié)主要概述機(jī)械和電熱性能。

圖12 ERHC制備PMC的性能的影響因素

4.1機(jī)械性能

對于填料式加熱器，填料的含量和分散性會影響最終復(fù)合材料的質(zhì)量性能。Xia使用GNP填料(10wt%）添加環(huán)氧樹脂，發(fā)現(xiàn)電阻加熱復(fù)合材料的楊氏模量略高于傳統(tǒng)方法固化產(chǎn)物（增長4.8%），但仍然低于純環(huán)氧樹脂值，這可能與基質(zhì)中GNP的聚集有關(guān)，但電阻加熱固化復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力(48.5%）和應(yīng)變（60%）明顯更高（圖13），這與結(jié)構(gòu)更緊密的電阻熱樣品一致，與更多孔隙相關(guān)。

圖13 ERHC與傳統(tǒng)方法制備的GNP/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能比較

Jang等人研究了在不同施加電壓焦耳加熱下固化的CNT填料/PDMS復(fù)合材料的性能，發(fā)現(xiàn)焦耳加熱固化納米復(fù)合材料的剛度高于烤箱加熱樣品。在更高電壓下固化納米復(fù)合材料的剛度高于在室溫或較低電壓下固化納米復(fù)合材料的剛度（圖14）。

圖14 不同施加電壓焦耳加熱下固化的CNT填料/PDMS復(fù)合材料的性能

對于纖維和膜片加熱器固化產(chǎn)品，表演與元素的位置和數(shù)量密切相關(guān)。與傳統(tǒng)固化復(fù)合材料相比，Xu等人獲得了由CNTF加熱器固化的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材 (GFRP)，這些聚合物復(fù)合材料放置在預(yù)制件的表面和內(nèi)部，并發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的固化程度、損耗存儲和拉伸性能沒有顯著差異（圖15）。

圖15 不同固化方法制備的GFRP性能比較

外部輸入功率的變化也會影響電阻加熱固化的影響。Liu使用CF作為自電（SRE）加熱器來制備CF/環(huán)氧復(fù)合材料。在其他實驗條件下恒定的前提下，光纖加熱器通過改變電源的輸出功率來控制，以1K/min、3K/min、5K/min和10K/min的不同加熱速率進(jìn)行ERHC。相比之下，烤箱加熱樣品的加熱速率為1K/min。隨后對t種不同的復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸、壓縮、彎曲和層間剪切強(qiáng)度(ILS）測試。研究發(fā)現(xiàn)，由于纖維-基質(zhì)界面區(qū)域纖維的優(yōu)先加熱效應(yīng)，SRE工藝具有更高的加熱率，這導(dǎo)致纖維的增強(qiáng)-矩陣界面強(qiáng)度，材料的拉伸強(qiáng)度都得到了提高。然而，由于快速加熱過程中樹脂流動不足，空隙含量高，基質(zhì)強(qiáng)度弱導(dǎo)致材料的抗壓和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。因此，通過合理選擇工藝參數(shù)和加熱器，可以生產(chǎn)出與傳統(tǒng)固化復(fù)合材料相似甚至更高的機(jī)械性能的ERHC樣品，這表明焦耳加熱固化方法有可能替代OHC方法。

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