3.2 填充式加熱器

聚合物中的熱能傳導是通過聲子轉移實現的（圖9(a）），聲子散射將導致聚合物的導熱性降低。添加導熱和導電填料，可以在聚合物基質中形成連續的網絡結構（圖9(b））可用于減少聲子散射和傳遞納米濾機由于其大面積體積比和優異的滲透網絡性能，可以提供電氣和熱傳導。這意味著添加填充物可能會提高聚合物基質的傳熱效果，即填料型電加熱元件的性能與導電填料的內在電熱穩定性、添加量和均勻分散程度密不可分。

圖9 聚合物中的熱能傳導機理

Jang 等人使用溶劑色散(SD）方法在矩陣中隨機分布CNT色散，形成CNT導電網絡。在20V下，對于CNT含量為7.0Wt%的CNT/聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合材料，溫度可以在幾分鐘內達到100°C進行固化，并發現隨著 CNT添加的增加，復合材料的導電性顯著提高，對于由輸入電壓控制的焦耳加熱的應用，高導電性在能源中。這在效率方面是有用的，但應該注意的是，當碳納米管的濃度低于一定值（滲流閾值）時，CNT無法在基質中形成連續的網絡，從而降低導電性。不同的制備方法使CNT 具有不同的滲透閾值，因此在優化添加量時，應首先確定材料的相應滲透閾值。隨著電阻的增加，最大固化溫度顯著增加，固化時間也大大縮短。

此外，聚合物基質中填料的分散嚴重限制了填料的性能。Wang和Jiang等人使用三輥軋機的非溶劑分散工藝，并利用輥之間的強剪切力將CNT均勻分散到聚合物基質中，制備了一系列厚度約為700微米的多壁碳納米管(MWCNT)/環氧樹脂薄膜。準備過程和配置如圖10（a）、(b）所示。實驗結果表明，復合薄膜的電加熱行為在很大程度上取決于MWCNT含量和施加電壓。當施加電壓為 10v時，0.05 Wt% MWCNT 含量的復合薄膜的表面溫度不會改變，但當施加電壓為 20V 時，表面溫度可以在~30秒內達到平衡溫度。當含量增加到0.07 wt%時，平衡溫度會相應增加。圖10(c)、（d）分別顯示了用于表征電加熱行為的電加熱行為測試示意圖和紅外圖像。

圖10 制備多壁碳納米管(MWCNT)/環氧樹脂薄膜的準備過程和配置

除了CNT外，石墨也是導電填料的良好候選材料。然而，由于石墨和聚合物之間的相互作用很弱，在聚合物中適用需要面對許多困難。為了找到上述問題的解決方案，最近的研究表明，可以在石墨聚合物基質中添加少量CNT，以提高材料的電熱性能和兼容性。Park等人使用石墨薄片作為主要填充物，制備納米復合材料的平面加熱元件。準備過程如圖11所示。在制造過程中添加了少量（10Wt%）的氨基功能化MWCNT (a-MWCNT)。a-MWCNT可以改善聚合物和MIWCNT之間的相互作用，并促進形成分散良好的分布。

圖11 石墨薄片作為主要填充物制備納米復合材料的平面加熱元件

除了實驗研究外，松崎等人根據非定常傳熱方程模擬了固化反應，計算了熱膨脹和固化收縮造成的殘余應力。結果表明，由于CNT集料的不均勻電導率可能導致非常高的局部殘余應力，因此有必要考慮導電性的均勻性，以準確測量填充CNT樹脂的殘余應力。此外，聚合物熱膨脹系數(CTE)差異導致的元素電阻變化也是填料加熱器設計中的關鍵考慮因素。

因此，不難看出，對于填料型加熱器，填料的類型，固有的電熱穩定性和色散性開發的CNTF固化工藝不適合制造厚復合材料。換句話說，它可以表明加熱元件的數量對厚復合材料的制造有一定的影響。然而，CNTF還是有望成為新一代加熱材料，并成為具有集成結構和功能以及低能耗固化復合材料加熱器的復合鋼筋階段的理想選擇。

4.復合材料的性能

ERHC制備PMC性能通常受到工藝因素以及與加熱元件固有性能相關的因素的影響，如圖12所示。本節主要概述機械和電熱性能。

圖12 ERHC制備PMC的性能的影響因素

4.1機械性能

對于填料式加熱器，填料的含量和分散性會影響最終復合材料的質量性能。Xia使用GNP填料(10wt%）添加環氧樹脂，發現電阻加熱復合材料的楊氏模量略高于傳統方法固化產物（增長4.8%），但仍然低于純環氧樹脂值，這可能與基質中GNP的聚集有關，但電阻加熱固化復合材料的斷裂應力(48.5%）和應變（60%）明顯更高（圖13），這與結構更緊密的電阻熱樣品一致，與更多孔隙相關。

圖13 ERHC與傳統方法制備的GNP/環氧樹脂復合材料力學性能比較

Jang等人研究了在不同施加電壓焦耳加熱下固化的CNT填料/PDMS復合材料的性能，發現焦耳加熱固化納米復合材料的剛度高于烤箱加熱樣品。在更高電壓下固化納米復合材料的剛度高于在室溫或較低電壓下固化納米復合材料的剛度（圖14）。

圖14 不同施加電壓焦耳加熱下固化的CNT填料/PDMS復合材料的性能

對于纖維和膜片加熱器固化產品，表演與元素的位置和數量密切相關。與傳統固化復合材料相比，Xu等人獲得了由CNTF加熱器固化的玻璃纖維增強聚合物復合材 (GFRP)，這些聚合物復合材料放置在預制件的表面和內部，并發現復合材料的固化程度、損耗存儲和拉伸性能沒有顯著差異（圖15）。

圖15 不同固化方法制備的GFRP性能比較

外部輸入功率的變化也會影響電阻加熱固化的影響。Liu使用CF作為自電（SRE）加熱器來制備CF/環氧復合材料。在其他實驗條件下恒定的前提下，光纖加熱器通過改變電源的輸出功率來控制，以1K/min、3K/min、5K/min和10K/min的不同加熱速率進行ERHC。相比之下，烤箱加熱樣品的加熱速率為1K/min。隨后對t種不同的復合材料進行了拉伸、壓縮、彎曲和層間剪切強度(ILS）測試。研究發現，由于纖維-基質界面區域纖維的優先加熱效應，SRE工藝具有更高的加熱率，這導致纖維的增強-矩陣界面強度，材料的拉伸強度都得到了提高。然而，由于快速加熱過程中樹脂流動不足，空隙含量高，基質強度弱導致材料的抗壓和結構強度下降。因此，通過合理選擇工藝參數和加熱器，可以生產出與傳統固化復合材料相似甚至更高的機械性能的ERHC樣品，這表明焦耳加熱固化方法有可能替代OHC方法。

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