碳纖維導電發熱織物的開發及性能評價

沈宇皓 彭佳佳

（常熟理工學院，江蘇 常熟 215000）

1 實驗部分

1.1 實驗材料選擇與織造

1.1.1 材料選擇

實驗選用的碳纖維長絲是以1K 聚丙烯纖維為原料，通過200～300℃預氧化，1000～1500℃碳化，最后進行上漿整理制成的。

1.1.2 設計織造

實驗中，以1K 碳纖維長絲和41.1tex 棉纖維為材料，織造8 款20 cm（緯）10 cm（經）導電發熱織物，織物參數如表1 所示，包括平紋和斜紋這2 種基本組織，每種組織各設計4 種不同比例的棉纖維和碳纖維的緯紗用量，即一個組織循環內的碳纖維緯紗根數與棉纖維緯紗根數比。最后在緯紗兩端用銅片夾持固定，作為電極，以方便后面實驗的進行。

表1 碳纖維導電發熱織物參數

1.2 碳纖維紗線的測試

1.2.1 不通電時的電阻測試

在溫度為（20±2）℃，相對濕度為（55±3）%的恒溫恒濕環境中（接下來測試都在這個環境下進行），量取5根長度為6cm 的碳纖維長絲試樣進行測試，保證其自然伸直，在紗線中間取5cm，兩端多余部分用銅片夾持固定，參照JB/T9283-1999《萬用電表》，用數字型外用電表的兩極分別連接碳纖維長絲已經被銅片夾持的兩端連接處。當顯示的電阻值趨于平穩后，記錄數據，然后繼續使用此方法測試10cm（長度量取11cm）、15cm（長度量取16cm）、20cm（長度量取21cm）的碳纖維長絲電阻值。最后計算分析，公式采用長度比電阻，即：

式中：R 為一定長度紗線的電阻，Ω；L 為紗線的長度，cm。

1.2.2 通電時的電阻測試

同樣量取5 根長度為6cm 的碳纖維長絲試樣進行測試，保證其自然伸直，在紗線中間取5cm，兩端多余部分用銅片夾持固定并接入直流電源，分別對其施加1～6V 的電壓。記錄各電壓下通過紗線的電流大小，然后繼續使用此方法測試10cm、15cm、20cm 長絲的電流大小。最后通過伏安法計算電阻和電阻變化率，即：

式中：λ 為電阻變化率，%；R0為初始電阻，Ω；Rt為通電后的電阻，Ω。

1.3 碳纖維織物的測試

1.3.1 不通電時的電阻測試

用萬用電表的兩極分別與織物兩側的銅片連接（如圖1），使織物形成并聯電路，通過萬用電表讀取織物在不通電時的電阻值。

圖1 通電時不同長度碳纖維的電阻

1.3.2 通電時的電阻測試

分別對織物通1～6V 的電流，當其表面溫度達到穩定后，使用萬用電表測得此時通過織物的電流大小，然后通過伏安法計算出織物的電阻值，并計算電阻變化率。

1.3.3 升溫速率測試

本次實驗中，設定對織物輸入電壓為4.5V，測試時將織物置于隔熱裝置中，升溫過程中使用紅外測溫儀在織物上方垂直距離為30cm 的地方測量，并確保測量位置始終處于織物的中心位置。記錄下每隔2 秒織物上升的溫度。

1.3.4 最大溫度測試

持續對織物輸入4.5V 的電流，使織物溫度上升到某一數值后保持長時間穩定，此時記錄數據，此數據即為該織物在相同實驗條件下，4.5V 電壓時輸入的最大溫度。

1.3.5 降溫速率測試

在4.5V 電壓下，織物到達最大溫度后，關掉電源以停止對織物的電壓輸入。此時使用紅外測溫儀在距離織物上方垂直距離為30cm 的地方測量，并確保測量位置始終處于織物中心位置。記錄下每隔2 秒織物下降的溫度。

2 結果與討論

2.1 碳纖維紗線的電熱穩定性

在溫度為（20±2）℃、相對濕度為（55±3）%的恒溫恒濕環境下，不通電時，不同長度紗線的平均電阻值如表2 所示，5cm 的碳纖維長絲電阻最小，20cm 的碳纖維長絲電阻最大，電阻隨紗線長度的增大而增大。

表2 不通電時不同長度碳纖維紗線的平均電阻值

表3 不通電時導電發熱織物的電阻值

碳纖維紗線通電過程中電阻的穩定性與最終成品的導電發熱性能密切相關。在通電情況下，碳纖維紗線的電阻值測試結果如圖3 所示。隨著電壓的增加，不同長度的紗線的電阻值呈現下降趨勢，下降比率分別為15.7%，16.6%，16.2%，22.0%。紗線長度為5cm 時，電阻變化幅度最??；紗線長度為20cm 時，電阻變化幅度最大。這是由于20cm 長度的碳纖維纖維絲束中的單絲束受熱膨脹，而過長的纖維絲束更容易分散和脫散，使得絲束內部出現不連結的地方，以致此時的碳纖維紗線電阻變化幅度最大，同時20cm 的碳纖維紗線長度更長，與空氣接觸面積更大，產熱和散熱情況更加復雜。

2.2 碳纖維織物的電熱穩定性能

不通電時，8 塊織物的電阻值如表1 所示，其中8號試樣的電阻值最大，5 號試樣的電阻值最小，織物的電阻阻值隨著一個組織循環內碳纖維和棉纖維長度之比的減小而增大，即織物的電阻阻值隨著相同大小試樣中碳纖維根數的減少而增大，并且斜紋組織的電阻變化率相較于平紋組織更為明顯。原因是平紋組織中碳纖維緯紗之間平行排列，而斜紋組織中碳纖維斜向排列，紗線上接觸點情況更為復雜。

在通電情況下，碳纖維織物的電阻值測試結果如圖2 所示。隨著電壓的增加，碳纖維織物的電阻值與上面測試中碳纖維的電阻值（圖1）呈現一樣的下降趨勢。平紋組織1～4 號試樣的電阻下降率分別為55.56%，59.03%，53.76%，55.20%，斜紋組織5～8 號試樣的電阻下降率分別為63.49%，47.84%，59.39%，75.47%。8 號試樣波動最大，因為8 號試樣碳纖維緯紗比例少（比例為1:8），紗線間接觸情況復雜，織物升溫失溫頻繁，導致織物的電阻值不斷變動。同時，通電后織物的電阻值剛開始下降時波動較為劇烈，隨后趨于平緩。6 號試樣的電阻值較小且電熱穩定性最好。

圖2 通電時碳纖維織物的電阻

2.3 碳纖維織物發熱效果分析

8 塊碳纖維織物在通電狀態下（電壓始終為4.5V）織物表面中心溫度上升曲線如圖3 所示。從圖3 可知，隨著時間的延長，碳纖維織物表面的溫度均呈現上升趨勢。通電初期，織物的溫度迅速上升，通電一段時間后，上升逐漸趨緩。這是因為通電初期織物的產熱量大于散熱量，隨著織物溫度的上升，織物與外界環境的溫差增大，散熱量逐漸增大，直至等于產熱量，最后織物表面溫度趨于穩定。8 塊試樣對比中，1 號、2 號、5 號、6號升溫速度快，溫度高。

圖3 電加熱織物升溫曲線

8 塊織物在通電6 分鐘后，溫度雖趨于平穩，但仍有上升的跡象。為此實驗中繼續保持通電，探究4.5V 電壓情況下，8 塊織物溫度的極值點。當經過一段時間后，數據保持一段時間不變化或極小變化，此時我們讀出讀數，1～8 號樣布的溫度極大值點分別為38℃，36.5℃，33.5℃，31.5℃，39℃，37.5℃，35.5℃，32℃?？紤]到其仍存在熱量損失，因此每個數據有±0.3℃的誤差。當織物的溫度達到極值點后，斷開電源，8 塊碳纖維織物在斷電狀態下織物表面中心溫度下降曲線如圖4 所示。從圖4 可知，隨著斷電后時間的延續，碳纖維織物表面的溫度不斷下降。初期，織物的溫度迅速下降，一段時間后，溫度下降速率開始減緩。這是因為織物斷電后，產熱量和散熱量的平衡被打破，熱量開始快速逃逸到周圍空氣中，隨著織物溫度與測試環境溫度的接近，散熱量逐漸減小，降溫速率開始減緩。8 塊試樣對比中，6 號試樣溫度變化幅度最小，說明6 號試樣緯紗比例（1:2）與組織結構（斜紋）適當，能有效阻止熱量的散失，起到一定的保溫作用。

圖4 電加熱織物降溫曲線

3 結論

（1）碳纖維具有良好的電熱穩定性能和發熱功能。（2）紗線的電阻隨著紗線長度的增長而增大。碳纖維紗線通電后電阻變化率較小，紗線的電阻值較穩定。（3）通電時，織物電阻隨電壓的增大呈減小趨勢，當組織結構是斜紋且碳纖維和棉纖維緯紗之比是1:2 時電阻值較小且電熱穩定性最好。綜合上述情況，碳纖維和棉纖維緯紗之比是1:2 的斜紋織物最適合作為導電發熱織物。