CN110816854B - 用于防除冰的复合编织电加热膜和电加热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于防除冰的复合编织电加热膜和电加热结构。其中,防除冰用复合编织电加热膜可由碳基导电纤维及金属导电纤维层内混合编织而成,以碳基导电纤维为经向纤维束、金属导电纤维为纬向纤维束或者以金属导电纤维为经向纤维束、碳基导电纤维为纬向纤维束,按照斜纹布编织或缎纹布编织的方法制得,纤维弯曲小、纤维强度损失最小,得到的电加热膜,柔性好、可铺覆在形状复杂的制件表面,不仅导电、导热性能优异,而且机械性能和电热转换效率也得到提高,更关键的是复合编织电加热膜比金属网重量轻。采用复合编织电加热膜与绝缘隔热膜可包覆、粘贴或缠绕在被加热物表面,尤其可以用于飞行器中复合材料制件的防除冰。
Description
技术领域
本发明涉及航空除冰的技术领域,尤其是涉及一种防除冰用复合编织电加热膜、含复合编织电加热膜的电加热结构及其在防除冰方面的应用。
背景技术
飞机在结冰气象条件下飞行时,云层中的过冷水滴(温度低于0℃,以液态形式存在的水滴)撞击表面,会发生结冰现象。其中,机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件(导向叶片、支撑等)、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明件表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面等结冰现象严重。飞机表面积冰会导致大量空气动力学问题,表现为降低升阻比,增加飞行的油耗,妨碍静压系统仪表指示,严重影响飞机的稳定性和操纵性,是威胁航空装备服役安全的一个重要危险因素。
申请人经研究发现:
目前飞机防除冰技术主要分为被动式防除冰技术和主动式防除冰技术。被动式防除冰技术包括表面涂覆疏水涂层和吸热涂层的涂层防冰技术,以及利用防冻液的溶液防冰技术。但是随着使用时间的延长,涂层性能退化明显,其防除冰效果持续时间不长,需要定期重涂,且疏水涂层的微观粗糙结构很容易受到外力破坏而失去超疏水性质。
相对于被动式防除冰技术,主动式防除冰技术的除冰效率高,但都存在一定的弊端。例如:混合热气防除冰系统通过一系列管道将发动机内部生成的热气引导至机翼表面内侧,但这不仅会使设计变得复杂、增加飞机本身的非有效荷载、降低发动机的有效推力,同时这种方式提供的热功率密度有限,所以仅限于温度场较温和的结冰环境,对于极低温度的结冰环境,这种方式非常不适宜;传统气囊防除冰系统是通过气囊的充气和泄气使气囊膨胀收缩,产生机械力和机械振动进行除冰,但这种方式对材料腐蚀性以及寿命要求很高,且膨胀充气时对飞机空气动力学影响较大;电脉冲防除冰系统通过在飞机蒙皮产生一个幅值高、持续时间极为短暂的机械力,使冰发生破裂而脱落,虽然除冰效率高,但是该系统使机体结构重量严重增加,除冰效果的好坏取决于蒙皮变形的大小以及脉冲力的频率,且对前缘除冰效果不理想。
电加热防除冰是目前飞机主流的防除冰技术,通过在所需除冰部位铺设金属网,在温度低于一定界限时,对金属网进行通电令其产生热量,实现防除冰。该方法具有极高的技术成熟度,国外现役民用飞机防除冰系统基本都采用电加热方式,但普遍存在增重明显(例如S-76直升机仅除冰系统增加68-113kg)、电热转换效率较低等问题。
发明内容
鉴于此,为了解决现有技术中的至少一种技术问题,本发明提供了一种防除冰用复合编织电加热膜。复合编织电加热膜由碳基导电纤维及金属导电纤维层内混合编织而成,以碳基导电纤维为经向纤维束、金属导电纤维为纬向纤维束,或者以金属导电纤维为经向纤维束、碳基导电纤维为纬向纤维束,经向和纬向按照斜纹布编织或缎纹布编织的方法制备得到复合编织电加热膜,碳基导电纤维比例不低于25%,金属导电纤维比例不低于25%。其中,碳基导电纤维可以是沥青基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、纳米碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、石墨纤维;金属导电纤维可以是铜纤维、铝纤维、镍纤维、不锈钢纤维、铁纤维、银纤维、金纤维,金属纤维直径为0.5-100μm。碳基导电纤维体积比例不低于25%,金属导电纤维体积比例不低于25%。
本发明还提供防除冰用电加热结构,由绝缘隔热膜、复合编织电加热膜、绝缘导热膜、电极、导线构成。复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,经热压固化粘结为一体,通过电极及导线与电源连接实现电加热。其中,绝缘隔热膜是由耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等耐热树脂材料中的一种或几种制备而成,厚度为0.01-0.50mm;绝缘隔热膜的作用是可以减小电加热对复合材料基体的热损伤。
绝缘导热膜是填充高导热陶瓷颗粒(AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉中的一种或几种)的耐热树脂(聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种),厚度为0.01-0.50mm,高导热陶瓷颗粒的含量为1-60vol%,高导热陶瓷颗粒的粒径为0.1-100μm,高导热陶瓷颗粒的加入可提高绝缘导热层的导热系数;绝缘导热膜可将复合编织电加热膜的热量更快更高效的传导至冰层,提高除冰效率和防冰效果。
在复合编织电加热膜的两侧制备电极,电极的厚度为0.005-0.2mm,可由银、铜、金、铝、镍等金属或合金经粘接、喷涂、电沉积、3D打印等方式制备而成;电极可通过导线实现与电源的连接。
本发明的防除冰用电加热结构可包覆、粘贴或缠绕在被加热物表面,尤其可以用于复合材料制件的防除冰;复合材料制件可以是直升机桨叶、机翼前缘、垂直尾翼前缘。
本发明具有以下有益效果:
复合编织电加热膜是将轻质、导热的碳基纤维与导电、柔韧的金属纤维相结合,优势互补,通过斜纹或缎纹编织的方法将碳基导电纤维及金属导电纤维层内混合编织,纤维弯曲小、纤维强度损失最小,得到的电加热膜,柔性好、可铺覆在形状复杂的制件表面,不仅导电、导热性能优异,而且机械性能和电热转换效率也得到提高,更关键的是复合编织电加热膜比金属网重量轻。将复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,热压固化后三层膜粘结为一体,通过电极及导线与电源连接实现电加热,可包覆、粘贴或缠绕在被加热物表面,尤其可以用于复合材料制件的防除冰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的采用斜纹布编织的方法制备的复合编织电加热膜示意图;
图2为本发明一实施例的采用缎纹布编织的方法制备的复合编织电加热膜示意图;
图3为本发明一实施例的防除冰用电加热结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下,所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中,提出了许多具体细节,以便提供对本发明的全面理解。但是,对于本领域的技术人员来说很明显的是,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法,而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中,没有示出公知的结构和技术,以避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合,各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
碳基材料重量轻、导热性优良,理论上碳基材料都具有高的热导率值,如石墨烯的热导率为5000W/(mK)、天然石墨的热导率为2000W/(mK)、碳纳米管的热导率为3500W/(mK)和碳纤维的热导率为1000W/(mK)。但是,碳基纤维柔韧性较差,易断裂,通常作为增强材料与树脂复合使用。将轻质、导热的碳基纤维与导电、柔韧的金属纤维相结合,优势互补,制备得到导电、导热性能、机械性能和电热转换效率均较好的电加热膜,在飞机的防除冰领域具有较好的应用前景。
图1为本发明一实施例的采用斜纹布编织的方法制备的复合编织电加热膜示意图。
参考图1,一种用于防除冰的复合编织电加热膜10可以包括:碳基导电纤维1和金属导电纤维2。其中:碳基导电纤维1及金属导电纤维2采用混合编织的方式编织成片状结构;碳基导电纤维1占所述片状结构的体积比例大于等于25%且小于等于75%;金属导电纤维2占纤维混合物的体积比例大于等于25%且小于等于75%;金属导电纤维2直径大于等于0.5μm且小于等于100μm。
在一些实施例中,碳基导电纤维1为片状结构的经向纤维束或者纬向纤维束;金属导电纤维2为片状结构的纬向纤维束或者经向纤维束;经向纤维束和纬向纤维束采用斜纹布编织或缎纹布编织的方法制备得到所述片状结构。
在一些实施例中,碳基导电纤维1包括以下纤维中的一种或者多种:沥青基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、纳米碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、石墨纤维;
在一些实施例中,金属导电纤维2包括以下纤维中的一种或者多种:铜纤维、铝纤维、镍纤维、不锈钢纤维、铁纤维、银纤维、金纤维。
在一些实施例中,碳基导电纤维1是型号为6K的沥青基碳纤维;金属导电纤维2是直径为20μm的铜纤维;沥青基碳纤维与铜纤维各占体积比的50%;
在一些实施例中,碳基导电纤维1是型号为3K的沥青基碳纤维;金属导电纤维2是直径为5μm的铜纤维;沥青基碳纤维占体积比的25%,不锈钢纤维占体积比的75%。
在一些实施例中,碳基导电纤维1是型号为12K的沥青基碳纤维;金属导电纤维2是直径为100μm的铜纤维;沥青基碳纤维占体积比的70%,不锈钢纤维占体积比的30%。
在一些实施例中,一种防除冰用复合编织电加热膜,选择6K沥青基碳纤维为碳基导电纤维,直径为20μm的铜纤维为金属导电纤维;以沥青基碳纤维为经向纤维束、铜纤维为纬向纤维束,经向和纬向按照附图1所示的斜纹布的编织方法制备得到;其中,沥青基碳纤维与铜纤维体积各占50%。
图2为本发明一实施例的采用缎纹布编织的方法制备的复合编织电加热膜示意图。
参考图2,一种防除冰用复合编织电加热膜,选择3K石墨纤维为碳基导电纤维,直径为5μm的不锈钢纤维为金属导电纤维;以沥青基碳纤维为经向纤维束、不锈钢纤维为纬向纤维束,经向和纬向按照附图2所示的缎纹布的编织方法制备得到;其中,沥青基碳纤维占25%,不锈钢纤维占75%。
在一些实施例中,一种防除冰用复合编织电加热膜,选择12K聚丙烯腈基碳纤维为碳基导电纤维,直径为100μm的铝纤维为金属导电纤维;以铝纤维为经向纤维束、聚丙烯腈基碳纤维为纬向纤维束,经向和纬向按照斜纹布的编织方法制备得到;其中,铝纤维占30%,沥青基碳纤维占70%。
在一些实施例中,一种含有复合编织电加热膜的防除冰用电加热结构,由绝缘隔热膜、复合编织电加热膜、绝缘导热膜、电极、导线构成;电极采用0.02mm厚的铜箔制成,通过导电胶将电极粘贴在复合编织电加热膜两端,预留导线;选择厚度为0.5mm的芳纶布作为绝缘隔热膜;绝缘导热膜是以粒径D50为20μm的AlN粉末作为高导热陶瓷颗粒,填充在聚酰亚胺树脂中制成,AlN粉末的含量为20vol%,制备得到的绝缘导热膜厚度为0.1mm;将复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,热压固化后三层膜粘结为一体,得到防除冰用电加热结构。
在一些实施例中,一种含有复合编织电加热膜的防除冰用电加热结构,由绝缘隔热膜、复合编织电加热膜、绝缘导热膜、电极、导线构成;电极是通过在复合编织电加热膜两端喷涂铝0.03mm厚导电膜制成,预留导线;选择厚度为0.1mm的聚酰亚胺膜作为绝缘隔热膜;绝缘导热膜是以粒径D50为30μm的SiC粉末作为高导热陶瓷颗粒,填充在聚酰亚胺树脂中制成,SiC粉末的含量为50vol%,制备得到的绝缘导热膜厚度为0.3mm;将复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,热压固化后三层膜粘结为一体,得到防除冰用电加热结构。
在一些实施例中,一种含有复合编织电加热膜的防除冰用电加热结构,由绝缘隔热膜、复合编织电加热膜、绝缘导热膜、电极、导线构成;电极是通过3D打印的方法在复合编织电加热膜两端制备0.1mm厚的镍电极,预留导线;选择厚度为0.2mm的聚丙烯膜作为绝缘隔热膜;绝缘导热膜是以粒径D50为10μm的BN粉末作为高导热陶瓷颗粒,与聚酯混合制成,BN粉末的含量为30vol%,制备得到的绝缘导热膜厚度为0.2mm;将复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,热压固化后三层膜粘结为一体,得到防除冰用电加热结构。
在一些实施例中,电加热结构在防除冰方面的应用,将电加热结构的绝缘隔热膜一侧用胶膜贴覆于直升机螺旋桨桨叶表面、飞机机翼前缘表面或飞机垂直尾翼前缘表面,通电后加热能够熔化附着在其表面的冰层。
图3为本发明一实施例的防除冰用电加热结构的示意图。
参考图3,一种防除冰用电加热结构可以包括:复合编织电加热膜10、绝缘隔热膜20、绝缘导热膜30和电极40。其中:复合编织电加热膜10置于绝缘隔热膜20和绝缘导热膜30之间,并经热压固化粘结为一体;复合编织电加热膜10的两侧设置有电极40;2块电极40用于与外部的电线和电源连接。
在一些实施例中,绝缘隔热膜20为耐热树脂材料,绝缘隔热膜20厚度大于等于0.01mm且小于等于0.50mm。
在一些实施例中,绝缘导热膜30由填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂制成;绝缘导热膜30厚度大于等于0.01mm且小于等于0.50mm。
在一些实施例中,高导热陶瓷颗粒的体积含量为大于等于1vol%且小于等于60vol%;高导热陶瓷颗粒的粒径大于等于0.1μm且小于等于100μm。
在一些实施例中,高导热陶瓷颗粒包括以下颗粒中的一种或者多种:AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉。
在一些实施例中,绝缘隔热膜20包括以下材料中的一种或者多种:耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯。
在一些实施例中,电极40的厚度大于等于0.005mm且小于等于0.2mm。
在一些实施例中,一种防除冰用复合编织电加热膜可以由碳基导电纤维及金属导电纤维层内混合编织而成,碳基导电纤维体积比例不低于25%,金属导电纤维体积比例不低于25%,金属纤维直径为0.5-100μm。本文中数值范围包括端点的数值。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以以碳基导电纤维为经向纤维束、金属导电纤维为纬向纤维束,采用斜纹布编织或缎纹布编织的方法制备得到复合编织电加热膜。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以金属导电纤维为经向纤维束、碳基导电纤维为纬向纤维束,采用斜纹布编织或缎纹布编织的方法制备得到复合编织电加热膜。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以是碳基导电纤维是沥青基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、纳米碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、石墨纤维中的至少一种;金属导电纤维可以是铜纤维、铝纤维、镍纤维、不锈钢纤维、铁纤维、银纤维、金纤维中的至少一种。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以选择6K沥青基碳纤维为碳基导电纤维,直径为20μm的铜纤维为金属导电纤维;沥青基碳纤维与铜纤维各占50%。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以选择3K石墨纤维为碳基导电纤维,直径为5μm的不锈钢纤维为金属导电纤维;沥青基碳纤维占25%,不锈钢纤维占75%。
在一些实施例中,防除冰用复合编织电加热膜可以选择12K聚丙烯腈基碳纤维为碳基导电纤维,直径为100μm的铝纤维为金属导电纤维;铝纤维占30%,沥青基碳纤维占70%。
在一些实施例中,复合编织电加热膜的防除冰用电加热结构可以由绝缘隔热膜、复合编织电加热膜、绝缘导热膜、电极、导线构成,复合编织电加热膜置于绝缘隔热膜和绝缘导热膜之间,经热压固化粘结为一体,复合编织电加热膜的两侧通过电极及导线与电源连接。
在一些实施例中,防除冰用电加热结构可以是绝缘隔热膜由耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等耐热树脂材料中的一种或几种制备而成,厚度为0.01-0.50mm。
在一些实施例中,防除冰用电加热结构可以是绝缘导热膜由填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂制成,厚度为0.01-0.50mm,高导热陶瓷颗粒的含量为1-60vol%,高导热陶瓷颗粒的粒径为0.1-100μm。
在一些实施例中,防除冰用电加热结构可以是高导热陶瓷颗粒是AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉中的一种或几种。
在一些实施例中,防除冰用电加热结构可以是耐热树脂是聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。
在一些实施例中,防除冰用电加热结构中电极的厚度为0.005-0.2mm,可由银、铜、金、铝、镍等金属或合金经粘接、喷涂、电沉积、3D打印等方式制备而成。
在一些实施例中,电加热结构可以在航空防除冰方面进行广泛应用,电加热结构可包覆、粘贴或缠绕在被加热物表面,被加热物可以是复合材料制件。
在一些实施例中,电加热结构在防除冰方面的应用可以是复合材料制件可以是直升机桨叶、飞机机翼前缘、飞机垂直尾翼前缘。
需要说明的是,上述技术特征可以进行不同程度的组合应用,为了简明,不再赘述各种组合的实现方式,本领域的技术人员可以按实际需要将上述的操作步骤的顺序进行灵活调整,或者将上述步骤进行灵活组合等操作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,但其保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可以轻易想到各种等效的修改或者替换,这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于防除冰的复合编织电加热膜(10),其特征在于,包括:碳基导电纤维(1)和金属导电纤维(2),其中:
碳基导电纤维(1)及金属导电纤维(2)采用混合编织的方式编织成片状结构;
碳基导电纤维(1)占所述片状结构的体积比例大于等于25%且小于等于75%;
金属导电纤维(2)占纤维混合物的体积比例大于等于25%且小于等于75%;
金属导电纤维(2)直径大于等于0.5μm且小于等于100μm;
碳基导电纤维(1)是型号为6K的沥青基碳纤维;
金属导电纤维(2)是直径为20μm的铜纤维;
沥青基碳纤维与铜纤维各占体积比的50%;
或者,
碳基导电纤维(1)是型号为3K的沥青基碳纤维;
金属导电纤维(2)是直径为5μm的铜纤维;
沥青基碳纤维占体积比的25%,不锈钢纤维占体积比的75%;
或者,
碳基导电纤维(1)是型号为12K的沥青基碳纤维;
金属导电纤维(2)是直径为100μm的铜纤维;
沥青基碳纤维占体积比的70%,不锈钢纤维占体积比的30%。
2.如权利要求1所述的用于防除冰的复合编织电加热膜,其特征在于,其中:
碳基导电纤维(1)为片状结构的经向纤维束或者纬向纤维束;
金属导电纤维(2)为片状结构的纬向纤维束或者经向纤维束;
经向纤维束和纬向纤维束采用斜纹布编织或缎纹布编织的方法制备得到所述片状结构。
3.如权利要求1所述的用于防除冰的复合编织电加热膜,其特征在于,其中:
碳基导电纤维(1)包括以下纤维中的一种或者多种:
沥青基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、纳米碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、石墨纤维;
金属导电纤维(2)包括以下纤维中的一种或者多种:
铜纤维、铝纤维、镍纤维、不锈钢纤维、铁纤维、银纤维、金纤维。
4.一种防除冰用电加热结构,其特征在于,包括:
如权利要求1-3中任意一项所述的复合编织电加热膜(10)、绝缘隔热膜(20)、绝缘导热膜(30)和电极(40),其中:
复合编织电加热膜(10)置于绝缘隔热膜(20)和绝缘导热膜(30)之间,并经热压固化粘结为一体;
复合编织电加热膜(10)的两侧设置有电极(40);
2块电极(40)与外部的电线和电源连接。
5.如权利要求4所述的防除冰用电加热结构,其特征在于,其中:
绝缘隔热膜(20)为耐热树脂材料,
绝缘隔热膜(20)厚度大于等于0.01mm且小于等于0.50mm。
6.如权利要求4所述的防除冰用电加热结构,其特征在于,其中:
绝缘导热膜(30)由填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂制成;
绝缘导热膜(30)厚度大于等于0.01mm且小于等于0.50mm。
7.如权利要求6所述的防除冰用电加热结构,其特征在于,其中:
高导热陶瓷颗粒的体积含量为大于等于1vol%且小于等于60vol%;
高导热陶瓷颗粒的粒径大于等于0.1μm且小于等于100μm;
高导热陶瓷颗粒包括以下颗粒中的一种或者多种:
AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉。
8.如权利要求6所述的防除冰用电加热结构,其特征在于,其中:
绝缘隔热膜(20)包括以下材料中的一种或者多种:
耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯。
9.如权利要求4-8中任意一项所述的防除冰用电加热结构,其特征在于,其中:
电极(40)的厚度大于等于0.005mm且小于等于0.2mm。
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