导电沥青混凝土发热性能实验研究

为研究导电沥青混凝土发热的影响因素及发热效果,优化沥青混合料配合比,制作导电试块,分析电压和纤维质量分数对试块发热升温的影响,并进行真雪的融化试验.结果表明:电压越高发热升温越高,安全电压12,24和36V均能满足要求;碳纤维质量分数越大升温越高,达到0.23%后温度升高趋于稳定,0.28%时发热升温性能最好;通电24V具有良好的融雪效果,随着通电时间的延长导电沥青混凝土的融雪效率成倍增加,通电20,40和60min时,融雪效率分别提高了50.00%,66.67%和91.67%.     

不同掺和物对沥青混凝土路面融雪性能的影响

针对当下冬季传统道路除雪除冰方式的不足,以烟威地区降雪量数据为例,讨论了新型沥青混凝土导电路面与传统路面除冰除雪方式的差异,并对石墨钢纤维复合沥青混凝土路面和碳纤维电热格栅沥青混凝土路面进行了除冰实验对比,进而在碳纤维电热格栅沥青混凝土路面的基础上进行了改良。证明无论是出于安全考虑还是出于经济考虑采用埋设碳纤维格栅的沥青混凝土路面进行路面自融雪都是一种行之有效的方式。     

基于碳纤维红外辐射特性的除冰研究

采用通电加热方式研究了PAN基碳纤维的红外发热特性,进一步探索了其除冰性能。结果表明随输入功率的增加,碳纤维表面的升温能力显著提升,当输入功率为23.92 w时,样品在100 s内可升至215 ℃。当输入电压低于5 V时碳纤维电阻出现先增加后减小的现象,表明了PAN基碳纤维的半导体特性,红外成像测试表明碳纤维表面温度分布均匀。融冰实验表明碳纤维样品的面积、温度、距离、融冰水等因素都对融冰速率都有影响,随着碳纤维加热片样品温度和面积的增加以及融冰水的去除冰柱融化时间不断缩减,纤维红外辐射强度随距离增加而迅速衰减。恒定温度为125℃时,5 cm × 5 cm样品最大融冰速率为0.385 g/min。恒定面积时,125 ℃时最大融冰速率相对于室温自然融化提升了115.3%。当面积温度恒定时,有无融冰水情况下,融冰速率相差43.9%。实验证明,利用碳纤维的红外辐射加热在飞机除冰方面这具有较大潜在应用价值。     

基于聚丙烯腈基碳纤维红外辐射特性的飞机除冰性能

采用通电加热方式研究了聚丙烯腈(polyacrylonitrile PAN)基碳纤维的红外发热特性,进一步探索了其除冰性能。结果表明随输入功率的增加,碳纤维表面的升温能力显著提升,当输入功率为23.92 W时,样品在100 s内可升至215℃。当输入电压低于5 V时,碳纤维电阻出现先增加后减小的现象,表明了PAN基碳纤维的半导体特性。红外成像测试表明碳纤维表面温度分布均匀。融冰实验表明碳纤维样品的面积、温度、距离、融冰水等因素都对融冰速率都有影响;随着碳纤维加热片样品温度和面积的增加以及融冰水的去除冰柱融化时间不断缩减,纤维红外辐射强度随距离增加而迅速衰减。恒定温度为125℃时,5 cm×5 cm样品最大融冰速率为0.385 g/min。恒定面积时,125℃时最大融冰速率相对于室温自然融化提升了115.3%。当面积温度恒定时,有无融冰水情况下,融冰速率相差43.9%。实验证明,利用碳纤维的红外辐射加热在飞机除冰方面这具有较大潜在应用价值。     

飞机电热除冰的研究进展与展望

 飞机在结冰气象条件下容易发生结冰现象,冰的存在会破坏飞机气动特性,影响飞行安全,严重结冰可导致机毁人亡,故必须及时将冰移除。电热除冰是目前最常考虑的除冰方式之一,本文系统介绍了电热除冰装置及其工作原理。首先,主要围绕除冰过程的传热特性、冰层力学特性和冰脊的形成,详细阐述了国内外电热除冰研究的发展。然后,针对国内外研究存在的一些问题,提出了几点对电热除冰研究的粗略想法,电热除冰数值计算方法和模拟技术研究、热力耦合特性对冰层融化和力学特性的影响研究、冰脱落准则和运动规律研究是未来研究需要重视的方向。     

炭黑导电混凝土和碳纤维炭黑导电混凝土电热试验

目的为开发出融雪化冰或室内升温用的新型功能混凝土材料,研究炭黑导电混凝土(Carbon Black Conductive Concrete)和复掺碳纤维炭黑导电混凝土(Carbon fiber-carbon Black Diphasic Conductive Concrete)的导电性能以及电热效应.方法通过制作两种材料插有电极的立方体混凝土试块并测量记录不同龄期下的电阻率,比较分析两种材料的导电性能,并考虑碳纤维对导电性的影响作用.将两种材料试块分别串联进直流电路中,观察其通电发热情况并比较发热效果和电阻率的变化情况.结果相对于炭黑导电混凝土,复掺碳纤维炭黑导电混凝土的导电性更好,其中炭黑掺量为1%、碳纤维掺量为2%的试块电阻率低于100Ω·cm.两种材料通电发热速率均比较稳定且升温效果较好.单掺炭黑导电混凝土试块电阻率随通电时间延长变化较稳定,而复掺碳纤维炭黑试块电阻率受极化效应影响较大.结论相对于单掺炭黑导电混凝土,复掺碳纤维炭黑导电混凝土有更好的导电性,但其电阻率稳定性还有待研究.而单掺炭黑导电混凝土在通电发热试验中,其电阻率变化较小,具有较好的电阻率稳定性.     

炭黑碳纤维混凝土及炭黑混凝土电热性能试验

为了研究炭黑导电混凝土和炭黑碳纤维导电混凝土的导电性能以及电热性能,将两种材料的试块分别串联进直流电路中,观察两种材料的通电发热情况,并比较两种材料发热效果和电阻率的变化情况.试验研究结果表明:相对于炭黑导电混凝土试块,炭黑碳纤维导电混凝土试块的导电性更好,其中炭黑质量分数为1%、碳纤维质量分数为2%的炭黑碳纤维导电试块电阻率低于100Ω·cm;两种材料试块通电发热均比较稳定,且升温效果较好;炭黑导电混凝土试块电阻率在通电后比较稳定,而炭黑碳纤维导电混凝土试块电阻率随通电时间延长而增大.     

橡胶颗粒沥青路面的除冰机理

为分析橡胶颗粒沥青混合料的除冰机理,研究冰的物理力学性质,通过分析橡胶颗粒沥青路面上冰层破坏的断裂力学,提出应变能密度因子准则作为判断冰层破坏的依据;针对不同温度、不同厚度的冰层,分析弹性模量与除冰效果之间的关系,得到不同弹性模量下的路表面最大变形量;研究超载情况下冰层的受力和变形情况以及弹性模量与除冰效果之间的关系;采用车辙仪法进行室内除冰模拟试验.研究结果表明:混合型断裂破坏是冰层破坏的主要形式,表现为复合型裂纹发生失稳扩展,呈一定辐射状分布,在行车荷载反复作用下,区域裂纹充分扩展或者裂纹分布密度达到一定饱和程度,进而引起冰的局部破碎;随着外界温度升高、冰层厚度减少和行车荷载增大,路表最大竖向位移和能够除冰的橡胶颗粒沥青混合料弹性模量逐渐增大,除冰效果越好;室内除冰模拟试验结果与理论分析结果较吻合,证明了理论分析的可靠性.     

除雪化冰路面微波敏感涂层材料与设备

为了在寒冷地区进行科学有效、环保经济的道路除雪化冰,弥补现有传统除雪化冰方法存在的缺陷,提出微波除雪化冰涂层技术。基于微波吸收材料的吸波机理与影响因素,优选羟基铁粉(RW)、羟基铁粉(YW1)、四氧化三铁、氧化铝和膨胀石墨作为微波敏感涂层吸波材料,进行微波敏感涂层材料融冰试验;通过对比不同组试验的温度升高值,分析不同涂层材料吸收微波产热并融化厚冰的能力,选用四氧化三铁、RW、膨胀石墨作为涂层材料分别进行涂层试件加热与融冰试验,研究沥青混凝土吸波涂层路面实际吸收微波融雪化冰的能力,在沥青混凝土试件制作涂层后,冻制5cm的厚冰,微波加热下采用升温差值来直观比较涂层材料吸收微波升温能力,综合考虑微波除冰效率、经济成本等因素,提出选用膨胀石墨作为微波敏感涂层材料。此外,进行了除雪化冰微波设备发射频率、功率、磁控管阵列等技术参数研究,在此基础上研发了便携式微波除冰车,并进行了便携式微波除冰车现场涂层微波加热试验。研究结果表明:四氧化三铁、RW、膨胀石墨3种材料吸收微波升温融冰的效果较好,膨胀石墨60s升温差值为40.2℃,四氧化三铁为8.4℃;采用膨胀石墨作为涂层材料与便携式微波除冰车配合应用的除冰效果良好,今后可为大型微波除冰雪设备的研究开发提供依据。     

电解质对离子导电混凝土电阻率的影响

普通混凝土电阻率很大,电解质溶液具有较好的导电性能且廉价易得,本文利用二电极法研究了电解质种类、电解质掺量、水灰比、导电温度等因素对离子导电混凝土电阻率的影响规律。实验结果表明,随电解质掺量、水灰比、导电温度的增加电阻率减小;以CaCl_2为导电相,掺量在1%~2%,水灰比为0.45,灰砂比为1:1时,离子导电混凝土的电阻率最小,且对离子导电混凝土的强度影响不大。由此表明,在混凝土中掺入电解质可以降低离子导电混凝土的电阻率,制备的离子导电混凝土通电后可应用于融雪化冰及电加热等实际工程应用中。     

碳纤维混凝土微波吸热效率的研究

微波除冰是一种新型的道面除冰方法,具有加热速度快,不污染环境等特点,但除冰效率低限制了它的使用.在混凝土中掺加碳纤维能提高混凝土的的导电导热性能、耐磨性等,可为道面除冰提供一种新的复合材料.通过掺入不同掺量碳纤维对混凝土进行改性,研究碳纤维混凝土的微波吸热效率、除冰效果及温度空间分布.结果表明,混凝土试件中心点的温度最高,距离中心点位置越远,温度越低;随着碳纤维掺量的逐渐增加,混凝土试件发热效率逐渐增高,碳纤维掺量为2‰时,混凝土试件吸波发热效率最高,与此同时,混凝土试件表面中心点的温度会逐渐增大.     

环境温度对道路微波除冰效率的影响

为了实现冬季道路微波快速除冰,对微波除冰过程中的路面材料、环境温度、冰厚、冰层杂质含量(质量分数)、微波加热模式和波导口距路面高度等因素对微波除冰效率产生的影响进行了分析;并对关键影响因素之一的环境温度进行了仿真和试验研究。研究结果表明:相同情况下,环境温度越低,除冰效率就越低;微波加热停止最佳时刻应在路面与冰层结合处温度升至0℃后、结合处冰层开始融化前,具体时刻要靠实际路况确定。     

导电沥青混凝土导电机理数值模拟

导电沥青混凝土作为一种新型材料,具有广泛的应用前景.目前国内外对导电沥青混凝土的研究主要侧重于融雪化冰的电热性能研究[-6],而对于其导电机理的研究却相对甚少,且不够深入.导电沥青混凝土的导电机理相当复杂,到目前为止,还没有一个导电模型能够很好的解释导电沥青混凝土的导电行为.本文在前人研究的基础上,借鉴聚合物基导电复合材料的导电机理,对导电沥青混凝土的导电机制进行数值模拟,提出较为完善的导电沥青混凝土导电机制.     

EAC-PCC复合结构层间温度应力研究

制作电热沥青混凝土EAC(Electrothermal Asphalt Concrete)-PCC(Portland Cement Concrete)复合结构试块,在EAC-PCC的层间埋设应变片,通过试验检测EAC-PCC的层间温度应力;建立有限元模型进行数值模拟,分析温度、电压、风速对复合结构层间温度应力的影响.试验表明:温度应力随时间延长逐渐增加,同一时刻不同检测点的温度应力不同;通电240 min时,中心点层间温度应力为0.37 MPa,温度上升了4.6℃.数值模拟表明:通电240 min,中心点层间温度应力为0.41 MPa,温度升高了5.2℃;随着环境温度的降低层间温度应力逐渐增大,负温时层间温度应力快速增大,正温时层间温度应力较小;与环境温度0℃相比,通电240 min时,-10℃、-20℃时层间温度应力分别增加了94.25%、126.72%,而10℃时层间温度应力减少了76.44%;随着通电电压增加,层间温度应力增加的速率变大;随着风速的增加层间温度应力在减小,与风速为0时相比,通电240 min时,风速为1、2、3 m/s的层间温度应力分别减少了15.59%、24.21%、29.66%.     

石墨烯复合材料电热除冰实验研究

石墨烯复合材料因其优良的导电性和高导热性,在各个领域均得到了广泛的关注。为研究石墨烯加热膜在电热除冰上的应用,通过实验比较石墨烯和电阻丝作为加热元件时的温升速率;将加热元件制备成可用于电热除冰的加热膜,在相同加热功率下验证两者的发热均匀性;根据自行搭建的电热除冰实验台,研究不同热流密度和结冰温度对石墨烯加热膜除冰效果的影响。实验结果表明：单纯的石墨烯加热元件比电阻丝升温速率快,由石墨烯作为加热元件制备而成的加热膜发热更加均匀;随着热流密度的不断增加,石墨烯加热膜除冰时间越短,效果越好;结冰温度越低,除冰时间越长。验证了石墨烯可以作为一种理想的加热膜材料应用于电热除冰领域。     

安全电压下石墨基导电砂浆的致热、除湿和除冰效果

以自制的石墨基导电砂浆板为研究对象,在外加安全电压下,对其致热、除湿和除冰的效能进行了研究。介绍了石墨基导电砂浆板的制作流程及实验装置,SEM表征了其内部形貌结构,得出了导电砂浆板的温度变化、工作效能等随通电时间的变化结果。实验结果表明,石墨作为导电砂浆的功能基元,能均匀分散,形成一个完整的导电网络;给石墨基导电砂浆板输入35.8 V的安全电压,其自身升温速率平均达1.57℃/min,最高除湿速率为0.42(g·m^-2·℃^-1·s^-1),最高除冰速率达到100(g·m^-2·min^-1)。     

导电砂浆电阻率稳定性的实验研究

导电砂浆电阻率的稳定性是其发挥功能的基础。本文采用二电极法研究导电砂浆在不同外界环境下电阻率的稳定性能。实验结果表明:导电砂浆电阻率随导电温度和导电功率的升高而升高,但升高幅度较低,低于5%;导电砂浆电阻率随导电环境相对湿度升高而下降;不同功率下长时间连续通电,电阻率基本保持稳定,180 d提高率低于6%。以上研究结果表明:外界通电环境对电阻率有一定的影响,但影响幅度较小,导电砂浆的电阻率稳定性较好,可应用于各种环境而保持稳定的导电性能。     

机场混凝土道面微波除冰仿真与试验研究

分析微波频率和道面材料特性对机场道面微波除冰效率的影响。运用COMSOL Multiphysics建立微波除冰仿真模型,采用自主设计的微波除冰装置进行试验研究。以混凝土表面升温至0℃的升温速率作为除冰效率的评价指标。研究结果表明:微波能够透过冰层加热混凝土,使冰层与混凝土表面脱离;相对于频率为2.45 GHz微波,频率为5.8 GHz微波穿透深度降低到45%,除冰效率提高了5倍左右;相对于普通混凝土,掺入"铁黑"吸波材料的混凝土除冰效率提高了1.8倍左右;仿真结果与试验结果较接近,验证了仿真模型具有较高的准确性,微波除冰方法具有一定的可行性。     

碳纤维电热线发热规律实验与建模分析

为深入了解碳纤维电热线发热特性,本文针对12k和24k内芯线径的碳纤维电热线进行了电热性能测试,得到不同长度的碳纤维电热线发热规律.研究发现,通断电后,碳纤维电热线表面温度升降速度极快,最高升温速率可达82. 9℃/min,最高降温速率可达80℃/min,保持通电期间,表面温度趋于稳定,且该稳定温度随长度增加而降低.长度从7m增加到12 m后,12k和24k线径碳纤维稳定温度分别从122℃和166℃降至53℃和71℃,且波动值均在±3℃以内.使用COMSOL Multiphysics软件对碳纤维电热线进行模拟分析,模拟的发热规律与实验结果吻合较好,误差在7%以内.研究表明,通电后温度快速升高然后保持恒定是碳纤维电热线的两大特点.碳纤维电热线采暖系统是一种安全稳定的电采暖形式,在煤改电及其他恒温用热中有很广阔的应用前景.     

基于超疏水表层的石墨烯电热除冰实验研究

超疏水涂层因其憎水性和优异的抗冰性能,在防除冰领域得到了广泛的关注.为研究超疏水涂层与石墨烯耦合作用的电热除冰效果,通过实验测量了石墨烯加热元件的温升速率;设计并制备用于电热除冰的加热膜构型;测量不同热流密度与环境温度下耦合组件温升情况;根据自行搭建的电热除冰实验台,研究不同热流密度对耦合组件除冰效果的影响,并与无喷涂超疏水表层加热组件的除冰能耗进行对比.实验结果表明:石墨烯加热膜比金属丝加热膜温升速率高;低温环境中耦合组件均表现出良好的温升情况;随着热流密度的不断增加,耦合组件除冰时间越短;相比传统金属丝电热组件,相同热流密度下耦合组件除冰能耗降低49％.验证主动除冰系统与超疏水涂层被动防除冰系统结合下,具有降低电热除冰能耗的可行性.