碳纤维导电发热织物的开发及性能评价

沈宇皓 彭佳佳

（常熟理工学院，江苏 常熟 215000）

1 实验部分

1.1 实验材料选择与织造

1.1.1 材料选择

实验选用的碳纤维长丝是以1K 聚丙烯纤维为原料，通过200～300℃预氧化，1000～1500℃碳化，最后进行上浆整理制成的。

1.1.2 设计织造

实验中，以1K 碳纤维长丝和41.1tex 棉纤维为材料，织造8 款20 cm（纬）10 cm（经）导电发热织物，织物参数如表1 所示，包括平纹和斜纹这2 种基本组织，每种组织各设计4 种不同比例的棉纤维和碳纤维的纬纱用量，即一个组织循环内的碳纤维纬纱根数与棉纤维纬纱根数比。最后在纬纱两端用铜片夹持固定，作为电极，以方便后面实验的进行。

表1 碳纤维导电发热织物参数

1.2 碳纤维纱线的测试

1.2.1 不通电时的电阻测试

在温度为（20±2）℃，相对湿度为（55±3）%的恒温恒湿环境中（接下来测试都在这个环境下进行），量取5根长度为6cm 的碳纤维长丝试样进行测试，保证其自然伸直，在纱线中间取5cm，两端多余部分用铜片夹持固定，参照JB/T9283-1999《万用电表》，用数字型外用电表的两极分别连接碳纤维长丝已经被铜片夹持的两端连接处。当显示的电阻值趋于平稳后，记录数据，然后继续使用此方法测试10cm（长度量取11cm）、15cm（长度量取16cm）、20cm（长度量取21cm）的碳纤维长丝电阻值。最后计算分析，公式采用长度比电阻，即：

式中：R 为一定长度纱线的电阻，Ω；L 为纱线的长度，cm。

1.2.2 通电时的电阻测试

同样量取5 根长度为6cm 的碳纤维长丝试样进行测试，保证其自然伸直，在纱线中间取5cm，两端多余部分用铜片夹持固定并接入直流电源，分别对其施加1～6V 的电压。记录各电压下通过纱线的电流大小，然后继续使用此方法测试10cm、15cm、20cm 长丝的电流大小。最后通过伏安法计算电阻和电阻变化率，即：

式中：λ 为电阻变化率，%；R0为初始电阻，Ω；Rt为通电后的电阻，Ω。

1.3 碳纤维织物的测试

1.3.1 不通电时的电阻测试

用万用电表的两极分别与织物两侧的铜片连接（如图1），使织物形成并联电路，通过万用电表读取织物在不通电时的电阻值。

图1 通电时不同长度碳纤维的电阻

1.3.2 通电时的电阻测试

分别对织物通1～6V 的电流，当其表面温度达到稳定后，使用万用电表测得此时通过织物的电流大小，然后通过伏安法计算出织物的电阻值，并计算电阻变化率。

1.3.3 升温速率测试

本次实验中，设定对织物输入电压为4.5V，测试时将织物置于隔热装置中，升温过程中使用红外测温仪在织物上方垂直距离为30cm 的地方测量，并确保测量位置始终处于织物的中心位置。记录下每隔2 秒织物上升的温度。

1.3.4 最大温度测试

持续对织物输入4.5V 的电流，使织物温度上升到某一数值后保持长时间稳定，此时记录数据，此数据即为该织物在相同实验条件下，4.5V 电压时输入的最大温度。

1.3.5 降温速率测试

在4.5V 电压下，织物到达最大温度后，关掉电源以停止对织物的电压输入。此时使用红外测温仪在距离织物上方垂直距离为30cm 的地方测量，并确保测量位置始终处于织物中心位置。记录下每隔2 秒织物下降的温度。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维纱线的电热稳定性

在温度为（20±2）℃、相对湿度为（55±3）%的恒温恒湿环境下，不通电时，不同长度纱线的平均电阻值如表2 所示，5cm 的碳纤维长丝电阻最小，20cm 的碳纤维长丝电阻最大，电阻随纱线长度的增大而增大。

表2 不通电时不同长度碳纤维纱线的平均电阻值

表3 不通电时导电发热织物的电阻值

碳纤维纱线通电过程中电阻的稳定性与最终成品的导电发热性能密切相关。在通电情况下，碳纤维纱线的电阻值测试结果如图3 所示。随着电压的增加，不同长度的纱线的电阻值呈现下降趋势，下降比率分别为15.7%，16.6%，16.2%，22.0%。纱线长度为5cm 时，电阻变化幅度最小；纱线长度为20cm 时，电阻变化幅度最大。这是由于20cm 长度的碳纤维纤维丝束中的单丝束受热膨胀，而过长的纤维丝束更容易分散和脱散，使得丝束内部出现不连结的地方，以致此时的碳纤维纱线电阻变化幅度最大，同时20cm 的碳纤维纱线长度更长，与空气接触面积更大，产热和散热情况更加复杂。

2.2 碳纤维织物的电热稳定性能

不通电时，8 块织物的电阻值如表1 所示，其中8号试样的电阻值最大，5 号试样的电阻值最小，织物的电阻阻值随着一个组织循环内碳纤维和棉纤维长度之比的减小而增大，即织物的电阻阻值随着相同大小试样中碳纤维根数的减少而增大，并且斜纹组织的电阻变化率相较于平纹组织更为明显。原因是平纹组织中碳纤维纬纱之间平行排列，而斜纹组织中碳纤维斜向排列，纱线上接触点情况更为复杂。

在通电情况下，碳纤维织物的电阻值测试结果如图2 所示。随着电压的增加，碳纤维织物的电阻值与上面测试中碳纤维的电阻值（图1）呈现一样的下降趋势。平纹组织1～4 号试样的电阻下降率分别为55.56%，59.03%，53.76%，55.20%，斜纹组织5～8 号试样的电阻下降率分别为63.49%，47.84%，59.39%，75.47%。8 号试样波动最大，因为8 号试样碳纤维纬纱比例少（比例为1:8），纱线间接触情况复杂，织物升温失温频繁，导致织物的电阻值不断变动。同时，通电后织物的电阻值刚开始下降时波动较为剧烈，随后趋于平缓。6 号试样的电阻值较小且电热稳定性最好。

图2 通电时碳纤维织物的电阻

2.3 碳纤维织物发热效果分析

8 块碳纤维织物在通电状态下（电压始终为4.5V）织物表面中心温度上升曲线如图3 所示。从图3 可知，随着时间的延长，碳纤维织物表面的温度均呈现上升趋势。通电初期，织物的温度迅速上升，通电一段时间后，上升逐渐趋缓。这是因为通电初期织物的产热量大于散热量，随着织物温度的上升，织物与外界环境的温差增大，散热量逐渐增大，直至等于产热量，最后织物表面温度趋于稳定。8 块试样对比中，1 号、2 号、5 号、6号升温速度快，温度高。

图3 电加热织物升温曲线

8 块织物在通电6 分钟后，温度虽趋于平稳，但仍有上升的迹象。为此实验中继续保持通电，探究4.5V 电压情况下，8 块织物温度的极值点。当经过一段时间后，数据保持一段时间不变化或极小变化，此时我们读出读数，1～8 号样布的温度极大值点分别为38℃，36.5℃，33.5℃，31.5℃，39℃，37.5℃，35.5℃，32℃。考虑到其仍存在热量损失，因此每个数据有±0.3℃的误差。当织物的温度达到极值点后，断开电源，8 块碳纤维织物在断电状态下织物表面中心温度下降曲线如图4 所示。从图4 可知，随着断电后时间的延续，碳纤维织物表面的温度不断下降。初期，织物的温度迅速下降，一段时间后，温度下降速率开始减缓。这是因为织物断电后，产热量和散热量的平衡被打破，热量开始快速逃逸到周围空气中，随着织物温度与测试环境温度的接近，散热量逐渐减小，降温速率开始减缓。8 块试样对比中，6 号试样温度变化幅度最小，说明6 号试样纬纱比例（1:2）与组织结构（斜纹）适当，能有效阻止热量的散失，起到一定的保温作用。

图4 电加热织物降温曲线

3 结论

（1）碳纤维具有良好的电热稳定性能和发热功能。（2）纱线的电阻随着纱线长度的增长而增大。碳纤维纱线通电后电阻变化率较小，纱线的电阻值较稳定。（3）通电时，织物电阻随电压的增大呈减小趋势，当组织结构是斜纹且碳纤维和棉纤维纬纱之比是1:2 时电阻值较小且电热稳定性最好。综合上述情况，碳纤维和棉纤维纬纱之比是1:2 的斜纹织物最适合作为导电发热织物。