碳纤维面状发热材料的性能研究.docx

分 析 研 究文章编号 : 1007 - 9815 ( 2000) 03 - 0039 - 04碳纤维面状发热材料的性能研究杨小平 ,荣浩鸣 ,沈曾民(北京化工大学碳纤维及复合材料研究所 ,北京100029)摘 要 : 本文研究了碳纤维面状发热材料在热压过程中的电性能变化以及在通电使用过程中电阻变化规律 ,结果表明 : 热压过程中 ,压力 、温度及绝缘树脂的固化等对碳纤维面状发热体的电阻性能会产生影响 ,具 有“压实搭接”的特性 ,压力对电阻起很重要的作用 ,其次是树脂的熔融固化过程 ,压制过程中导电纸电阻呈 下降趋势 ,随通电时间的增加 ,碳纤维面状发热体的电阻趋于稳态化 ,具有恒功率的特征 。碳纤维面状发热板具有远红外辐射特性 ,其波长在 815m 范围内 ,法向发射率为 85 % 。关键词 : 碳纤维 ;面状发热材料 ;碳纤维导电复合材料中图分类号 : tq 327. 3文献标识码 : a前言1 实验1. 1 原材料碳纤维导电复合纸 : 幅宽 500m m , 定量复合型导电高分子复合材料是以高聚物为基体 , 填充碳黑 、石墨 、金属粒子 、无机盐 、 金属纤维 、碳纤维等导电粒子制备而成的复合 材料 。该类材料既具有导电性 , 又具有高聚物 的许多优异特性 , 因而在电子设备仪器的屏蔽 及抗电磁波干扰1 , 电池电极材料2 , 抗静电材m2 , 北京化工大学北化高分子材料科90 2g /技公司生产 ;绝缘材料 : 3240 酚醛改性环氧树脂浸渍无 碱玻璃布半固化片 ,北京宏光绝缘材料厂生产 ; 电极 : 单面粗化铜箔 , 厚度 35m , 宽度20m m ,自制 。1. 2 试样制备半固化片尺寸为 400 400m m , 导电纸为350 350m m , 脱模膜为 420 420m m , 电极长 为 365m m ,按照下列次序叠片 ,从下至上为 : 脱 模膜 、半固化片 、导电纸 、电极 、半固化片 、脱模膜 。样品置于 400 400m m ,60t 平板硫化压机 中 , 压制工艺如图 1 , 开模得到碳纤维面状发热 板试样 。1. 3 性能测试导电纸电阻 :用自制夹具 ,以导电纸的长度 为 600m m 、宽度为 380m m , 在 380m m 宽度方向上用夹具测得的体电阻 。发热板电阻 : 用 m 890c + 数字万用表直接 测量发热板的两电极上的电阻 。料 3, 以及正温度系数 ( p tc) 材料 4 等领域得到了广泛的应用 。碳纤维作为一种纤维状导电填料 , 采用以往复合型导电高分子复合材料的 加工方法如共混 、挤塑 、喷涂 、层压等 , 对碳 纤维的长度损伤较大 , 其中碳纤维的分散均匀 性较差从而影响复合型导电高分子材料的电阻 均匀性 。本文研究了一种新的碳纤维导电复合 材料的加工方法 , 即将短切导电碳纤维以特殊 的化学和物理表面处理后 , 与纸浆纤维或化学 纤维混合制浆 , 用常规造纸工艺生产出碳纤维 导电复合纸5 , 再与绝缘材料 、电极等通过层 压成型 , 制成一种新的碳纤维层压面状发热材料 6。本文研究了该种面状发热材料的压制工艺对其电学性能的影响以及其它的性能如电阻稳定性 、长期使用的功率稳定性 、远红外辐射特 性等 。收稿日期 : 2000 - 01 - 21作者简介 : 杨小平( 1965 - ) ,男 ,博士 ,副研究员 ,主要从事碳纤维导电复合材料 、碳纤维增强复合材料及活性碳纤维 的功能化等研究 ,已发表论文 10 多篇 ,专利 4 项 。2 40 2 高科技纤维与应用第二十五卷长期通电运行下电阻稳定性能 : 设定功率密度 0. 18w / c m2 下 , 给定一定电压通电运行 ,记录不同时间下的电阻 。远红外测试 : 用 5d x 型傅立叶变换红外 光谱仪 ( n tcol e t 公司制造) 及其光谱比辐 射率测量附件 ,光谱范围 4 600c m - 1 400c m - 1 , 波数精度 0. 01c m - 1 ,分辩率 4c m - l ,噪声 0. 7 % ,附 件噪声 0. 998 ,孔径10m m 。测试条件 : 样品尺寸20m m , 恒温 100 ,环境温度 20 。2. 1 在热压过程中碳纤维面状发热材料的电阻性能变化图 2 为四种规格的碳纤维复合导电纸在层 压过程中的电阻变化规律 。影响电阻变化的因 素有压力、温度、绝缘材料固化以及导电纸本身 的电阻即碳纤维含量的差异。从图中可以看出 , 整个电阻随压制过程的变化可分为四个区域 ,在 区中 , 影响电阻的主要因素是压力的作 用 。导电碳纤维在天然纸浆纤维或化学纤维中 均匀分散 , 形成了三维导电网络 , 电阻的变化具 有“临界有效导电网络数”, 超出了这一临界值 后 ,压力对电阻的影响很小 ,如 a 规格纸。在低 于这一临界值时 ,压力对电阻的影响较大 ,即一2 结果与讨论第三期杨小平等 :碳纤维面状发热材料的性能研究2 41 2种物理压实搭接 , 促进了碳纤维导电网络之间的接触紧度 , 因而 , 电阻下降较多 , 即导电性增 加 ,如 b 、c 、d 规格的导电纸。在 区中 ,提高压 力达 200m pa (表压) , 此时 , 由于压力已使碳纤维导电网络紧密接触 , 树脂熔融促使其电阻继 续下降。在 区中 , 树脂已经固化 , 电阻也呈现 缓慢下降的变化规律 。树脂固化程度的完全以 及继续保持压力可保持发热板绝缘强度 。在 区中 , 保持足够压力 , 降温冷却 , 各规格导电纸的电阻均有轻微反弹升高。因此 , 碳纤维面状发热体的层压工艺参数 中 , 压力对电阻起很重要的作用 , 其次是树脂的 熔融固化过程。2. 2 通电加热对碳纤维面状发热体的电性能 影响从表 1 中看出 ,短时间通电时 ,电阻 ( r) 值下降较大 , 随着时间的延长 , r 值下降逐渐变 小 , 并趋于稳定 。四种样品的电阻下降率都在7. 5 %左右 , 其原因在于压板后的面状发热板 , 碳纤维导电网络即使相互之间已经密实搭接 , 但碳纤维仍有部分极性表面可以和绝缘材料结合 , 在碳纤维网络搭接点之间形成绝缘层 , 绝缘层的存在阻碍了导电网络的导通 , 通电的一瞬间 , 通过电晕放电或火花放电 , 电流将击穿绝缘 层 , 促进导电网络的导通 , 体现在电阻下降 , 导 电性增加 , 功率变大。另外 , 碳纤维表面也存在一部分结构不完整的晶格位错、缺陷、孔洞或沟 槽 , 这不仅影响碳纤维的强度7 , 也影响碳纤维 的电性能 ,通电时 ,碳纤维表面的缺陷等发生电 化学极化 , 通过热氧化作用 , 氧化掉部分表层 , 也促使了碳纤维之间的网络搭接体现出电阻下降 ,功率增加的性能 。2. 3 长期通电运行下电阻稳定性能图 3 是碳纤维面状发热体的长期通电运 行下电阻稳定性能的关系曲线 。从图中可见随 累计的通电时间的增加 , 碳纤维面状发热板的 电阻趋向稳定 , 具有恒功率的特征 。碳纤维面状发热板在开始通电使用时 ,其电阻下降 ,是因 其绝缘层被击穿和化学热氧化作用具有时间性 所致 , 但由于碳纤维经过了 1 2001 500 碳 化 , 热处理已形成六角碳平面网堆积的乱层结 构 , 电性能已趋于稳定 8 , 故长时间通电后 , 不会出现功率衰减现象 。另外 , 从碳纤维自身导 电发热性能看 ,其导电发热时 ,能量几乎以热的2 42 2 高科技纤维与应用第二十五卷形式传播 ,不产生光能或其它机械能 ,因此是电热转化效率极高的发热材料 。2. 4 碳纤维面状发热板的远红外辐射特性图 4 给出了碳纤维面状发热板表面的远 红外辐射强度的测试结果 ,在 815m 远红外 波段内 , 法向发射率为 85 % , 具有较高的远红 外法向发射强度 。人体是一个远红外辐射和吸收体 , 其有效 的远红外波长范围为 514m ; 碳纤维导电发 热材料作为一种有源远红外加热元件 , 具有辅 助理疗保健作用 ,诸如促进血液循环 ,减缓类风 湿关节炎疼痛等 。因此 , 碳纤维的远红外特性有望用于作为人体保健功能的新产品 。3 结 论热压过程中 , 压力 、温度及绝缘树脂的 固化等因素对碳纤维面状发热体的电阻性能会 产生影响 。具有物理“压实搭接”的特性 , 压制 过程中导电纸电阻呈下降趋势 , 压力对电阻起 很重要的作用 ,其次是树脂的熔融固化过程 。随通电时间的增加 , 碳纤维面状发热体的电阻趋于稳态化 ,具有恒功率的特征 。碳纤维面状发热板具有远红外辐射特 性 , 其波长在 815m 范围内 , 法向发射率为 85 % , 是医疗保健制品可选用的新材料参考文献 :(下转 48 页)2 48 2 高科技纤维与应用第二十五卷量 为而 钢 纤 维 制 作 的 标 准 轮 胎 ( s p的质量达 11. 6k g , 可见前者比后者轻世界不同地区碳纤维产业应用状况 :1) 北美 ,主要为压力容器( ca n 罐) 、消防人员用空 气呼吸器 、家电 、oa 机器 、半导体 、海底油田掘凿 、输送 管道 、燃料电池用电极等 。2) 欧洲 ,主要是压力容器 、风力发电机旋转叶片 、渡 船 、大型帆船等船舶 、车轮 、汽车部件等 。3) 日本 , 主要制作电脑框体 , 燃料电池以及由碳纤 维进行建筑 、土木工程补修等 。目前 , 世界上 f r p 需要量约 300 万 t , c f r p 为1. 5 万 t / a ,约占 f r p 总量的 1/ 200 。8. 6kg ,s po r t8000)3kg 。从采用芳纶制造轮胎的性能 、减重 、提高燃料效率等方面考核 ,芳纶在轮胎上的应用是有发展前途的 。欧洲研制超大型客机 a 3xx以 7 :r: ;x , 7 (阿叶楼司帕西阿鲁) 为首的大型客机构成企业 , 正在加速进行 a 3xx 超大型客机 的计划准备 ,决定于 1999 年末使其商业化 。这种超大型 客机可载客 480650 人 。它的研制成功 ,所耗流动资本 获得改善 ,掌握的关键 ,是采用了碳纤维复合材料 ,使飞 机质量削减 ,零部件成本降低 。该客机研究使用的复合 材料结构 , 有水平及垂直尾翼 、尾部椎体 、主翼 、腹部横梁 、地板 、地板支撑结构以及机身等 。碳纤维与丙烯酸树脂的复合材料三菱人造丝公司积极进行开拓碳纤维与丙烯酸树脂的复合材料应用 。与以前的环氧树脂等热固性树脂的 c f r p 相比 , 具有透明性 、加工性 、成本曲线优异的特 性 。在丰田汽车方面 , 正在某种汽车的内装饰板上采 用 ,以此为契机 ,谋求在汽车领域方面扩大应用 。特别是碳纤维的条纹同 m ma 的透明性相结合 , 能表现出独特的图案特征 。另外 ,采用同玻璃纤维的交 织布为基材的厚物品种 ,还以开拓结构材料的需要作为 目标 。(以上毕鸿章稿)世 界 不 同 地 区碳纤维产业应用状况据 1999 年 3 月在东京大学山上会馆所召开的以碳 纤维为主的“复合材料研究会”上报道 , 世界 pa n 系碳 纤维的生产能力 , 1996 年为 1. 2 万 t (日本约占六成) ,2000 年将为 2 万 t (日本将占八成) 。(上接 42 页)中山钹一 . 工业材料 j , 1981 , 29浦子荣 , 王培华 , 杨小平 , 等 .中国发明专5p .利 : 94 118 775. 6 , cn 112490. 7a .123( 12) : 18.熏田友昌 . 燃料学会志 j , 1988 , 67 ( 8) : 652.6杨小平 , 荣 浩 鸣 .p .98102712. 1 cn 1 209719.中 国 发 明 专 利 :黄锐 , 张雄伟 ,1993 , ( 1) : 34.郑钢 .现代塑料加工应用 j ,曹维宇 , 王培华 . 第三届全国新型碳材料学术研讨会(庐山) c , 1997 : 116.74 bal ta c. f . j . e t al . j . ma t er . sci j ,1988 , 23 : 1 411.贺福 , 等 . 新型碳材料 j , 1995 ,8( 41) 3 : 5.st udy on t he pro pert ie sofca r bon f iber f a c ia lhea t in g ma ter ia lya n g xiao - pi ng , ro n g hao - mi ng , s h en ze ng - mi n( in st i t ut e of ca r bo n fi be r a n d co mpo si t e s , beiji ng u ni ve r si t y of che mical tec h nolo gy ,100029 , chi na )beiji ngab st r a c t : t he p rop e r t ie s of a ne w ki n d of ca r bo n f i be r f acial heat i ng mat e rial we re st u die d i nt hi s p ap e r .t he re sul t s sho we d t hatt he p re ssu re of ia mi nat io n a n d t he c u ri ng of epo x y -p he nolic re si n p rep re g i nf l ue nce d t he c ha nge s of elect rical p rop e r t ie s , a n d diff