碳纤维用作红外加热笼电热辐射材料的可行性研究

徐 飞，李玉忠，杨万青，李智生，崔立军

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

碳纤维用作红外加热笼电热辐射材料的可行性研究

徐 飞，李玉忠，杨万青，李智生，崔立军

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

文章提出采用碳纤维作为红外加热笼的加热体，并开展了碳纤维加热条带的加工工艺及试验研究。确定了碳纤维加热条带的结构形式，试验测量了其各项技术指标。对测量数据分析表明，碳纤维作为加热笼的加热体是完全可行的，且具备电热辐射效率高、免喷涂黑漆、易于装配、可重复使用、经济性强等诸多优点。

碳纤维；电热辐射；红外加热笼

0 引言

航天器地面试验用红外加热笼（以下简称“加热笼”）是一种红外热流模拟试验装置[1]。传统的加热笼采用镍铬合金带涂黑漆作为加热体，在装配前须喷涂黑漆、裁剪成条带，装配时还需用弹簧挂接、点焊固定等工序，大多为手工操作，费力耗时。

鉴于金属加热笼存在的不足，对非金属加热笼的研究应运而生。碳纤维复合材料已广泛应用于航空航天领域[2]，是一种发射率接近黑体特性的碳材料，具有高比强度、高比模量、高电热辐射效率等突出的电热性能优势[3]，同时其在高低温环境中的热膨胀系数几乎为0，恰好能够适应空间冷热交变的复杂热辐射环境。近年来有文献研究了加热笼条带双面喷涂黑漆以提高其电热性能，获得了良好的低温效果[4]，但没有改变加热体制作费力耗时的局面。本文采用碳纤维材料作为加热条带，正是基于其双面近黑体所具有的很多优势，包括高低温性能好（热膨胀系数几乎为0，可不考虑热胀冷缩的补偿措施）、不用涂敷黑漆（既不用考虑长期使用的脱落问题，也有利于真空的保持）、使用中没有锈蚀问题、重量轻等。基于这些优势，本文开展了碳纤维材料作为加热笼加热体的工艺探索和设计研制。

1 碳纤维加热条带研制

为适应空间模拟试验的冷热环境要求，需要对碳纤维多股编织加热条带的外型及基本参数进行设计，以满足以下几点要求：

1）碳纤维丝束抱合结构致密、无单丝断裂，可任意弯折；

2）电阻值可调（通过丝束参数的调整等可实现2～10 Ω/m之电阻值可调）；

3）在试验环境下碳纤维外观与性能不发生改变；

4）具有良好的红外辐射效率和电热转换效率。

1.1 外形设计

本文选用的碳纤维原料，其单丝直径在 5～7 µm，碳纤维成品一般呈束状，如图1所示。

图1 呈丝束状的碳纤维成品Fig.1 Finished product of carbon fiber under threadlike condition

从图1来看，碳纤维的抱合性不是很好，若直接使用会出现单丝纤维劈裂或断丝，则必定对加热条带的成型极为不利：第 1，可能会造成接线部位接触不良；第2，会引起电阻值不稳定；第3，会出现碳纤维加热条带红外辐射热流密度不均匀；第 4，会缩短加热笼的使用寿命。通过编织的方式形成多股碳纤维丝束的结构，如图2所示。

图2 多股碳纤维丝束编织结构Fig.2 Strip structure woven by multi-compound yarn carbon fiber

1.2 电阻匹配设计与力学特性设计

在编织结构设计中，可通过单股丝束中的单丝数量、合股数的调整，来满足加热条带的电阻要求：即2～10 Ω/m的电阻值。如果需要更小的电阻值，则可将编织的碳纤维条带并联使用。

碳纤维加热条带具备一定的韧性和弹性，满足加热笼的装配要求，能适应拐角位置的弯折、扭曲。另外，在加热试验中，足够的韧性和弹性可抵抗热胀冷缩的尺寸变化。

1.3 质量损失测量

加热笼工作时为真空环境，按照QJ 1558标准[5]即材料在真空中挥发性能测试方法，对目前加热笼所用黑漆与碳纤维加热条带分别在真空环境下进行质量损失测量。其中黑漆样品的制作是将黑漆喷涂到玻璃上，自然晾干后刮下黑漆作为测试样品。

试验时，真空度为4×10-4～1×10-3Pa，试验温度125 ℃，收集板凝结温度25 ℃，将样品置于真空中放气24 h。天平的测量精度为10-5g。将黑漆样品与碳纤维条带样品各分成3份，每份均进行3次测量并取平均值，将试验前、后质量差比上试验前质量减去皮重，即得质量损失百分比。试验数据见表1。由表1数据可得，在真空环境下，碳纤维加热条带的质量损失百分比小于黑漆的。

表1 碳纤维编织加热条带与黑漆的真空质损测量结果对比Table1 Comparison of mass loss of the woven strips between multi-compound yarn carbon fiber and black paint

1.4 红外发射率测试

测试波段2500～15 000 nm，结果见图3。由图可见，碳纤维编织条带在小于8000 nm波段的发射率基本在0.9以上，而在8000～15 000 nm波段范围内的发射率也在 0.85以上。通过计算，其测试波段内的总发射率达到0.91。因此，用碳纤维编织加热条带作为加热笼的加热体可以满足红外外热流模拟要求。

图3 碳纤维编织加热条带的发射率测试Fig.3 Spectral emissivity test of the woven strips of multi-compound yarn carbon fiber

1.5 电热性能测试

在负载条件下对碳纤维加热条带的电热性能进行了测试，结果如图4所示。由图可知，随着加载电流的升高，其表面温度呈现近似线性增大，当电流在4 A以上时，表面温度超过了300 ℃。这说明碳纤维加热条带具有较好的电热性能，可满足空间环境热流的模拟要求。

图4 碳纤维加热带的表面温度与加载电流的变化关系Fig.4 The relationship between surface temperature and heating current of the carbon fiber woven strips

1.6 综合性能指标

碳纤维加热条带的综合性能包括高低温下的质量和力学的稳定性、可加工装配性、电热性能、经济性、可获得性以及热辐射性能等，具体指标如表2所示。

表2 碳纤维加热条带的性能指标Table 2 The performance indexes of the carbon fiber woven strips

2 热真空试验验证

2.1 碳纤维加热笼的研制

碳纤维加热条带无须弹簧挂接，因此对于支撑骨架的力学要求很低，可用铝合金材料完全替代目前的不锈钢。由于本文关注之处不在于此，故仍选用不锈钢材料作为骨架。考虑到碳纤维180°弯折容易断丝，因此在骨架两端加装了聚四氟滑轮，采用小角度斜拉的方式进行安装固定。电接线端口采用螺钉压接铜片的方式，其实螺钉也起到电接线端的作用。整个加热笼分为3个加热回路，第1个回路的加热条带间距为30 mm，第2、第3个回路的加热条带间距为50 mm。

2.2 KM2B真空设备内的试验验证

为了对比试验，在距离加热笼150 mm处放置1块涂了黑漆的铝板，其上布置了测温点和热流计。同样，在加热笼的碳纤维加热条带上也布置了测温点。加热电流从0.5 A开始逐渐增至3.5 A，试验过程均没有出现短路或局部过热等问题。电流加载曲线如图5所示。

图5 电流加载曲线Fig.5 The current loading curve

2.3 结果分析

碳纤维加热笼的的测温点测量结果如图6所示。

图6 加热笼的温度测量结果Fig.6 The temperature test results of the heating cage

在铝板上共布置了4个热流计，其测量结果如图7所示，与图6很相似。当电流为3 A时，碳纤维条带温度已高于300 ℃，超出了测量计的测量量程，因此，无法进行更大加热电流的试验。

图7 铝板上4个热流计的测量结果Fig.7 The test results of the four heat flow meters on the aluminium plate

将热流计测得的数据代入斯忒藩-玻耳兹曼公式，可计算得到热流密度：当加热电流为3.5 A时，热流密度达到 1 040.91 W/m2。这说明碳纤维材料具有高效的红外辐射能力，完全可以满足目前热试验的热流密度模拟要求。

3 结束语

本文从加热笼的使用需求出发，结合碳纤维材料的自身特性，开展了碳纤维加热笼的研制试验，取得了预期的效果，证明了将碳纤维用作加热笼加热体的可行性。接下来的工作是探索新型碳纤维加热笼在航天器地面试验领域的应用研究。

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[1]黄本诚, 马有礼.航天器空间环境试验技术[M].北京: 国防工业出版社, 2002: 51-52

[2]曹伟伟, 朱波, 蔡殉, 等.碳纤维电热元件配置及其辐射热流密度分布的模拟研究[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]曹伟伟, 朱波, 王成国.碳纤维电热元件辐射强度分布的数值模拟[J].机械工程学报, 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]杨晓宁, 龚洁, 路朝霞.加热带双面涂黑漆对热真空试验中低温实现的作用[J].航天器环境工程, 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]真空中材料挥发性能测试方法: QJ 1558—1988[S]

（编辑：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 飞（1983—），男，主要从事空间环模工装设备研制等工作。E-mail: buaaxf@163.com。

2016-01-21；

：2016-09-05

北京卫星环境工程研究所资助工艺课题“红外加热笼用碳纤维替换镍铬带的可行性研究”