徐 飛，李玉忠，楊萬(wàn)青，李智生，崔立軍

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

碳纖維用作紅外加熱籠電熱輻射材料的可行性研究

徐 飛，李玉忠，楊萬(wàn)青，李智生，崔立軍

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章提出采用碳纖維作為紅外加熱籠的加熱體，并開(kāi)展了碳纖維加熱條帶的加工工藝及試驗(yàn)研究。確定了碳纖維加熱條帶的結(jié)構(gòu)形式，試驗(yàn)測(cè)量了其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析表明，碳纖維作為加熱籠的加熱體是完全可行的，且具備電熱輻射效率高、免噴涂黑漆、易于裝配、可重復(fù)使用、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維；電熱輻射；紅外加熱籠

0 引言

航天器地面試驗(yàn)用紅外加熱籠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“加熱籠”）是一種紅外熱流模擬試驗(yàn)裝置[1]。傳統(tǒng)的加熱籠采用鎳鉻合金帶涂黑漆作為加熱體，在裝配前須噴涂黑漆、裁剪成條帶，裝配時(shí)還需用彈簧掛接、點(diǎn)焊固定等工序，大多為手工操作，費(fèi)力耗時(shí)。

鑒于金屬加熱籠存在的不足，對(duì)非金屬加熱籠的研究應(yīng)運(yùn)而生。碳纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[2]，是一種發(fā)射率接近黑體特性的碳材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高電熱輻射效率等突出的電熱性能優(yōu)勢(shì)[3]，同時(shí)其在高低溫環(huán)境中的熱膨脹系數(shù)幾乎為0，恰好能夠適應(yīng)空間冷熱交變的復(fù)雜熱輻射環(huán)境。近年來(lái)有文獻(xiàn)研究了加熱籠條帶雙面噴涂黑漆以提高其電熱性能，獲得了良好的低溫效果[4]，但沒(méi)有改變加熱體制作費(fèi)力耗時(shí)的局面。本文采用碳纖維材料作為加熱條帶，正是基于其雙面近黑體所具有的很多優(yōu)勢(shì)，包括高低溫性能好（熱膨脹系數(shù)幾乎為0，可不考慮熱脹冷縮的補(bǔ)償措施）、不用涂敷黑漆（既不用考慮長(zhǎng)期使用的脫落問(wèn)題，也有利于真空的保持）、使用中沒(méi)有銹蝕問(wèn)題、重量輕等。基于這些優(yōu)勢(shì)，本文開(kāi)展了碳纖維材料作為加熱籠加熱體的工藝探索和設(shè)計(jì)研制。

1 碳纖維加熱條帶研制

為適應(yīng)空間模擬試驗(yàn)的冷熱環(huán)境要求，需要對(duì)碳纖維多股編織加熱條帶的外型及基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：

1）碳纖維絲束抱合結(jié)構(gòu)致密、無(wú)單絲斷裂，可任意彎折；

2）電阻值可調(diào)（通過(guò)絲束參數(shù)的調(diào)整等可實(shí)現(xiàn)2～10 ?/m之電阻值可調(diào)）；

3）在試驗(yàn)環(huán)境下碳纖維外觀與性能不發(fā)生改變；

4）具有良好的紅外輻射效率和電熱轉(zhuǎn)換效率。

1.1 外形設(shè)計(jì)

本文選用的碳纖維原料，其單絲直徑在 5～7 μm，碳纖維成品一般呈束狀，如圖1所示。

圖1 呈絲束狀的碳纖維成品Fig.1 Finished product of carbon fiber under threadlike condition

從圖1來(lái)看，碳纖維的抱合性不是很好，若直接使用會(huì)出現(xiàn)單絲纖維劈裂或斷絲，則必定對(duì)加熱條帶的成型極為不利：第 1，可能會(huì)造成接線(xiàn)部位接觸不良；第2，會(huì)引起電阻值不穩(wěn)定；第3，會(huì)出現(xiàn)碳纖維加熱條帶紅外輻射熱流密度不均勻；第 4，會(huì)縮短加熱籠的使用壽命。通過(guò)編織的方式形成多股碳纖維絲束的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 多股碳纖維絲束編織結(jié)構(gòu)Fig.2 Strip structure woven by multi-compound yarn carbon fiber

1.2 電阻匹配設(shè)計(jì)與力學(xué)特性設(shè)計(jì)

在編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可通過(guò)單股絲束中的單絲數(shù)量、合股數(shù)的調(diào)整，來(lái)滿(mǎn)足加熱條帶的電阻要求：即2～10 ?/m的電阻值。如果需要更小的電阻值，則可將編織的碳纖維條帶并聯(lián)使用。

碳纖維加熱條帶具備一定的韌性和彈性，滿(mǎn)足加熱籠的裝配要求，能適應(yīng)拐角位置的彎折、扭曲。另外，在加熱試驗(yàn)中，足夠的韌性和彈性可抵抗熱脹冷縮的尺寸變化。

1.3 質(zhì)量損失測(cè)量

加熱籠工作時(shí)為真空環(huán)境，按照QJ 1558標(biāo)準(zhǔn)[5]即材料在真空中揮發(fā)性能測(cè)試方法，對(duì)目前加熱籠所用黑漆與碳纖維加熱條帶分別在真空環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)量損失測(cè)量。其中黑漆樣品的制作是將黑漆噴涂到玻璃上，自然晾干后刮下黑漆作為測(cè)試樣品。

試驗(yàn)時(shí)，真空度為4×10-4～1×10-3Pa，試驗(yàn)溫度125 ℃，收集板凝結(jié)溫度25 ℃，將樣品置于真空中放氣24 h。天平的測(cè)量精度為10-5g。將黑漆樣品與碳纖維條帶樣品各分成3份，每份均進(jìn)行3次測(cè)量并取平均值，將試驗(yàn)前、后質(zhì)量差比上試驗(yàn)前質(zhì)量減去皮重，即得質(zhì)量損失百分比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1數(shù)據(jù)可得，在真空環(huán)境下，碳纖維加熱條帶的質(zhì)量損失百分比小于黑漆的。

表1 碳纖維編織加熱條帶與黑漆的真空質(zhì)損測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table1 Comparison of mass loss of the woven strips between multi-compound yarn carbon fiber and black paint

1.4 紅外發(fā)射率測(cè)試

測(cè)試波段2500～15 000 nm，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，碳纖維編織條帶在小于8000 nm波段的發(fā)射率基本在0.9以上，而在8000～15 000 nm波段范圍內(nèi)的發(fā)射率也在 0.85以上。通過(guò)計(jì)算，其測(cè)試波段內(nèi)的總發(fā)射率達(dá)到0.91。因此，用碳纖維編織加熱條帶作為加熱籠的加熱體可以滿(mǎn)足紅外外熱流模擬要求。

圖3 碳纖維編織加熱條帶的發(fā)射率測(cè)試Fig.3 Spectral emissivity test of the woven strips of multi-compound yarn carbon fiber

1.5 電熱性能測(cè)試

在負(fù)載條件下對(duì)碳纖維加熱條帶的電熱性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，隨著加載電流的升高，其表面溫度呈現(xiàn)近似線(xiàn)性增大，當(dāng)電流在4 A以上時(shí)，表面溫度超過(guò)了300 ℃。這說(shuō)明碳纖維加熱條帶具有較好的電熱性能，可滿(mǎn)足空間環(huán)境熱流的模擬要求。

圖4 碳纖維加熱帶的表面溫度與加載電流的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between surface temperature and heating current of the carbon fiber woven strips

1.6 綜合性能指標(biāo)

碳纖維加熱條帶的綜合性能包括高低溫下的質(zhì)量和力學(xué)的穩(wěn)定性、可加工裝配性、電熱性能、經(jīng)濟(jì)性、可獲得性以及熱輻射性能等，具體指標(biāo)如表2所示。

表2 碳纖維加熱條帶的性能指標(biāo)Table 2 The performance indexes of the carbon fiber woven strips

2 熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 碳纖維加熱籠的研制

碳纖維加熱條帶無(wú)須彈簧掛接，因此對(duì)于支撐骨架的力學(xué)要求很低，可用鋁合金材料完全替代目前的不銹鋼。由于本文關(guān)注之處不在于此，故仍選用不銹鋼材料作為骨架?？紤]到碳纖維180°彎折容易斷絲，因此在骨架兩端加裝了聚四氟滑輪，采用小角度斜拉的方式進(jìn)行安裝固定。電接線(xiàn)端口采用螺釘壓接銅片的方式，其實(shí)螺釘也起到電接線(xiàn)端的作用。整個(gè)加熱籠分為3個(gè)加熱回路，第1個(gè)回路的加熱條帶間距為30 mm，第2、第3個(gè)回路的加熱條帶間距為50 mm。

2.2 KM2B真空設(shè)備內(nèi)的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)比試驗(yàn)，在距離加熱籠150 mm處放置1塊涂了黑漆的鋁板，其上布置了測(cè)溫點(diǎn)和熱流計(jì)。同樣，在加熱籠的碳纖維加熱條帶上也布置了測(cè)溫點(diǎn)。加熱電流從0.5 A開(kāi)始逐漸增至3.5 A，試驗(yàn)過(guò)程均沒(méi)有出現(xiàn)短路或局部過(guò)熱等問(wèn)題。電流加載曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 電流加載曲線(xiàn)Fig.5 The current loading curve

2.3 結(jié)果分析

碳纖維加熱籠的的測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 加熱籠的溫度測(cè)量結(jié)果Fig.6 The temperature test results of the heating cage

在鋁板上共布置了4個(gè)熱流計(jì)，其測(cè)量結(jié)果如圖7所示，與圖6很相似。當(dāng)電流為3 A時(shí)，碳纖維條帶溫度已高于300 ℃，超出了測(cè)量計(jì)的測(cè)量量程，因此，無(wú)法進(jìn)行更大加熱電流的試驗(yàn)。

圖7 鋁板上4個(gè)熱流計(jì)的測(cè)量結(jié)果Fig.7 The test results of the four heat flow meters on the aluminium plate

將熱流計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)代入斯忒藩-玻耳茲曼公式，可計(jì)算得到熱流密度：當(dāng)加熱電流為3.5 A時(shí)，熱流密度達(dá)到 1 040.91 W/m2。這說(shuō)明碳纖維材料具有高效的紅外輻射能力，完全可以滿(mǎn)足目前熱試驗(yàn)的熱流密度模擬要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從加熱籠的使用需求出發(fā)，結(jié)合碳纖維材料的自身特性，開(kāi)展了碳纖維加熱籠的研制試驗(yàn)，取得了預(yù)期的效果，證明了將碳纖維用作加熱籠加熱體的可行性。接下來(lái)的工作是探索新型碳纖維加熱籠在航天器地面試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

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[1]黃本誠(chéng), 馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002: 51-52

[2]曹偉偉, 朱波, 蔡殉, 等.碳纖維電熱元件配置及其輻射熱流密度分布的模擬研究[J].功能材料, 2010, 41(增刊1): 130-135 CAO W W, ZHU B, CAI X, et al.The simulation study of radiative heat flux intensity distribution with different assignments of carbon fiber electric heating elements[J].Journal of Functional Materials, 2010, 41(sup 1): 130-135

[3]曹偉偉, 朱波, 王成國(guó).碳纖維電熱元件輻射強(qiáng)度分布的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(7): 6-10 CAO W W, ZHU B, WANG C G.Numerical simulation on the radiation intensity distribution of carbon fiber infrared electric heating radiator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(7): 6-10

[4]楊曉寧, 龔潔, 路朝霞.加熱帶雙面涂黑漆對(duì)熱真空試驗(yàn)中低溫實(shí)現(xiàn)的作用[J].航天器環(huán)境工程, 2004, 21(3): 16-22 YANG X N, GONG J, LU Z X.Approach of facilitating low temperature mode using heat strips black-coated on two sides in thermal vacuum test[J].Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(3): 16-22

[5]真空中材料揮發(fā)性能測(cè)試方法: QJ 1558—1988[S]

（編輯：肖福根）

The feasibility of using carbon fiber as electro-thermal radiant material for infrared heating cage

XU Fei, LI Yuzhong, YANG Wanqing, LI Zhisheng, CUI Lijun
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The feasibility of using carbon fiber as the electro-thermal radiant material for the infrared heating cage is investigated.The processing technology study and the experimental research of the carbon fiber heating strips are carried out.The structure of the carbon fiber heating strips is designed, and all the specifications are tested.Analysis of the measured data proves that using carbon fiber as the electro-thermal material for infrared heating cage is absolutely feasible, with many advantages such as high electro-thermal radiant efficiency, without the need of black-coating, easy to assemble, recyclable and low cost.

carbon fiber; electro-thermal radiation; infrared heating cage

V416.5

：A

：1673-1379(2016)06-0668-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.017

徐 飛（1983—），男，主要從事空間環(huán)模工裝設(shè)備研制等工作。E-mail: buaaxf@163.com。

2016-01-21；

：2016-09-05

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所資助工藝課題“紅外加熱籠用碳纖維替換鎳鉻帶的可行性研究”