ERHC方法固化聚合物基复合材料的研究（三）

3.2 填充式加热器

聚合物中的热能传导是通过声子转移实现的（图9(a）），声子散射将导致聚合物的导热性降低。添加导热和导电填料，可以在聚合物基质中形成连续的网络结构（图9(b））可用于减少声子散射和传递纳米滤机由于其大面积体积比和优异的渗透网络性能，可以提供电气和热传导。这意味着添加填充物可能会提高聚合物基质的传热效果，即填料型电加热元件的性能与导电填料的内在电热稳定性、添加量和均匀分散程度密不可分。

图9 聚合物中的热能传导机理

Jang 等人使用溶剂色散(SD）方法在矩阵中随机分布CNT色散，形成CNT导电网络。在20V下，对于CNT含量为7.0Wt%的CNT/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料，温度可以在几分钟内达到100°C进行固化，并发现随着 CNT添加的增加，复合材料的导电性显著提高，对于由输入电压控制的焦耳加热的应用，高导电性在能源中。这在效率方面是有用的，但应该注意的是，当碳纳米管的浓度低于一定值（渗流阈值）时，CNT无法在基质中形成连续的网络，从而降低导电性。不同的制备方法使CNT 具有不同的渗透阈值，因此在优化添加量时，应首先确定材料的相应渗透阈值。随着电阻的增加，最大固化温度显著增加，固化时间也大大缩短。

此外，聚合物基质中填料的分散严重限制了填料的性能。Wang和Jiang等人使用三辊轧机的非溶剂分散工艺，并利用辊之间的强剪切力将CNT均匀分散到聚合物基质中，制备了一系列厚度约为700微米的多壁碳纳米管(MWCNT)/环氧树脂薄膜。准备过程和配置如图10（a）、(b）所示。实验结果表明，复合薄膜的电加热行为在很大程度上取決于MWCNT含量和施加电压。当施加电压为 10v时，0.05 Wt% MWCNT 含量的复合薄膜的表面温度不会改变，但当施加电压为 20V 时，表面温度可以在~30秒内达到平衡温度。当含量增加到0.07 wt%时，平衡温度会相应增加。图10(c)、（d）分别显示了用于表征电加热行为的电加热行为测试示意图和红外图像。

图10 制备多壁碳纳米管(MWCNT)/环氧树脂薄膜的准备过程和配置

除了CNT外，石墨也是导电填料的良好候选材料。然而，由于石墨和聚合物之间的相互作用很弱，在聚合物中适用需要面对许多困难。为了找到上述问题的解決方案，最近的研究表明，可以在石墨聚合物基质中添加少量CNT，以提高材料的电热性能和兼容性。Park等人使用石墨薄片作为主要填充物，制备纳米复合材料的平面加热元件。准备过程如图11所示。在制造过程中添加了少量（10Wt%）的氨基功能化MWCNT (a-MWCNT)。a-MWCNT可以改善聚合物和MIWCNT之间的相互作用，并促进形成分散良好的分布。

图11 石墨薄片作为主要填充物制备纳米复合材料的平面加热元件

除了实验研究外，松崎等人根据非定常传热方程模拟了固化反应，计算了热膨胀和固化收缩造成的残余应力。结果表明，由于CNT集料的不均匀电导率可能导致非常高的局部残余应力，因此有必要考虑导电性的均匀性，以准确测量填充CNT树脂的残余应力。此外，聚合物热膨胀系数(CTE)差异导致的元素电阻变化也是填料加热器设计中的关键考虑因素。

因此，不难看出，对于填料型加热器，填料的类型，固有的电热稳定性和色散性开发的CNTF固化工艺不适合制造厚复合材料。换句话说，它可以表明加热元件的数量对厚复合材料的制造有一定的影响。然而，CNTF还是有望成为新一代加热材料，并成为具有集成结构和功能以及低能耗固化复合材料加热器的复合钢筋阶段的理想选择。

4.复合材料的性能

ERHC制备PMC性能通常受到工艺因素以及与加热元件固有性能相关的因素的影响，如图12所示。本节主要概述机械和电热性能。

图12 ERHC制备PMC的性能的影响因素

4.1机械性能

对于填料式加热器，填料的含量和分散性会影响最终复合材料的质量性能。Xia使用GNP填料(10wt%）添加环氧树脂，发现电阻加热复合材料的杨氏模量略高于传统方法固化产物（增长4.8%），但仍然低于纯环氧树脂值，这可能与基质中GNP的聚集有关，但电阻加热固化复合材料的断裂应力(48.5%）和应变（60%）明显更高（图13），这与结构更紧密的电阻热样品一致，与更多孔隙相关。

图13 ERHC与传统方法制备的GNP/环氧树脂复合材料力学性能比较

Jang等人研究了在不同施加电压焦耳加热下固化的CNT填料/PDMS复合材料的性能，发现焦耳加热固化纳米复合材料的刚度高于烤箱加热样品。在更高电压下固化纳米复合材料的刚度高于在室温或较低电压下固化纳米复合材料的刚度（图14）。

图14 不同施加电压焦耳加热下固化的CNT填料/PDMS复合材料的性能

对于纤维和膜片加热器固化产品，表演与元素的位置和数量密切相关。与传统固化复合材料相比，Xu等人获得了由CNTF加热器固化的玻璃纤维增强聚合物复合材 (GFRP)，这些聚合物复合材料放置在预制件的表面和内部，并发现复合材料的固化程度、损耗存储和拉伸性能没有显著差异（图15）。

图15 不同固化方法制备的GFRP性能比较

外部输入功率的变化也会影响电阻加热固化的影响。Liu使用CF作为自电（SRE）加热器来制备CF/环氧复合材料。在其他实验条件下恒定的前提下，光纤加热器通过改变电源的输出功率来控制，以1K/min、3K/min、5K/min和10K/min的不同加热速率进行ERHC。相比之下，烤箱加热样品的加热速率为1K/min。随后对t种不同的复合材料进行了拉伸、压缩、弯曲和层间剪切强度(ILS）测试。研究发现，由于纤维-基质界面区域纤维的优先加热效应，SRE工艺具有更高的加热率，这导致纤维的增强-矩阵界面强度，材料的拉伸强度都得到了提高。然而，由于快速加热过程中树脂流动不足，空隙含量高，基质强度弱导致材料的抗压和结构强度下降。因此，通过合理选择工艺参数和加热器，可以生产出与传统固化复合材料相似甚至更高的机械性能的ERHC样品，这表明焦耳加热固化方法有可能替代OHC方法。

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