CN109862637A - 一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用石墨烯‑碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构及制备方法，该电加热结构以聚酰亚胺膜为基底，基底上均布一层用于加热的条状或网格状石墨烯‑碳纳米管复合材料形成石墨烯‑碳纳米管复合材料层，石墨烯‑碳纳米管复合材料层两端均设置有电极，石墨烯‑碳纳米管复合材料层上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层。本发明采用石墨烯‑碳纳米管复合材料作为导电发热源，升温速率相比传统电加丝加热快；石墨烯薄膜层作为导热材料，表面温度分布相比传统电加热丝加热更均匀；将电加热结构布置在机翼前缘部位，工作时采用恒流或恒压源进行供电，通过改变供电功率可有效的在不同结冰条件下进行防除冰工作。
Description
技术领域
本发明涉及飞机防除冰技术领域，具体涉及一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构及制备方法。
背景技术
飞机结冰一直是航空安全的主要威胁之一。飞机在地面停机状态和飞行过程中表面都会出现结冰，飞机主要结冰部位包括机翼、螺旋桨、雷达罩、风挡、发动机唇口、操纵面等。目前飞机机翼防除冰主要采用热气防除冰系统，加热效率低，并且会降低发动机推力。全电飞机理念提出之后，迫切需要发展更加高效节能的电热防除冰方法。
现代电加热防除冰系统中，多采用电阻丝作为发热元件，通过分区加热的形式避免产生中心热点。传统电加热系统加热速率慢，需要较长的时间加热机翼蒙皮，且加热区域温度不均匀。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构及制备方法,充分利用石墨烯-碳纳米管复合材料性能进行防除冰工作，其操作简便，工艺简单且效果明显，解决了传统电加热加热速率慢，且加热区域温度不均匀的问题。
技术方案：本发明一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，该电加热结构以聚酰亚胺膜为基底，所述基底上均布一层用于加热的条状或网格状石墨烯-碳纳米管复合材料形成石墨烯-碳纳米管复合材料层，所述石墨烯-碳纳米管复合材料层两端均设置有电极，所述石墨烯-碳纳米管复合材料层上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层,所述石墨烯薄膜层具有双面粘性。
进一步的，所述电极材料为含有1％～5％石墨烯粉的导电银浆。
进一步的，所述基底的厚度为200～500μm。
进一步的，所述石墨烯-碳纳米管复合材料为条状，其宽度10～30mm，长度小于1000mm。
进一步的，所述石墨烯-碳纳米管复合材料层与石墨烯薄膜层之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层厚度为20～50μm；所述石墨烯薄膜层上设有第二绝缘层，所述第二绝缘层厚度为30μm，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为聚酰亚胺膜。
本发明还提供了一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构的制备方法，包括步骤：
(1)采用激光切割的方式将石墨烯-碳纳米管复合材料切割成条状或网格状，同时保证边缘无毛刺；
(2)采用聚酰亚胺膜作为基底，将条状或网格状的石墨烯-碳纳米管复合材料均布在基底上形成石墨烯-碳纳米管复合材料层；
(3)将石墨烯-碳纳米管复合材料层两端均匀涂上导电银浆作为电极，待导电银浆固化后在表面铺设带有接线端子的铜带，并进行通电测试；
(4)将石墨烯-碳纳米管复合材料层上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层具有双面粘性；
(5)采用高温热压机对上述结构边缘部分进行封装，得到电加热结构。
进一步的，所述步骤(5)中封装在真空环境下进行，排除各层之间空气，施加压力保证各层粘结可靠。
进一步的，所述步骤(4)中石墨烯-碳纳米管复合材料层与石墨烯薄膜层之间设有第一绝缘层，石墨烯薄膜层上设有第二绝缘层，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为聚酰亚胺膜。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用石墨烯-碳纳米管复合材料作为导电发热源，升温速率相比传统电加丝加热快，能耗相比传统电加热低20％～40％；
2、地面试验验证该加热结构可在-70～300℃正常工作，提高了电热防除冰环境适应能力；
3、充分利用石墨烯-碳纳米管复合材料导电发热快的优点，铺设一层石墨烯薄膜层作为导热材料，表面温度分布相比传统电加热丝导热更加均匀；
4、该电加热结构内部采用条状石墨烯-碳纳米管复合材料时，为并联的方式，在多条损坏的情况下仍能正常工作，提高飞机结冰防护系统安全性；
5、本发明采用多层柔性结构，可与飞机蒙皮紧密贴合，有效提高导热效率。
本发明电加热结构布置在机翼前缘部位，工作时采用恒流或恒压源进行供电，通过改变供电功率可有效的在不同结冰条件下进行防除冰工作，具有设备简单，操作简便且效果明显等优势，极具规模化制备前景。
附图说明
图1为机翼蒙皮内部安装示意图；
图2为本发明电加热结构示意图；
图3为条状石墨烯-碳纳米管复合材料层铺设示意图；
图4为网格状石墨烯-碳纳米管复合材料层铺设示意图。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
如图1至图4所示，本发明一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，该电加热结构2布置在机翼1前缘部位，电加热结构2与飞机机翼1蒙皮内表面通过铆接或粘结方式紧密结合，保证接触牢靠。
电加热结构2共分为三层，首先以聚酰亚胺膜为基底5，基底5的厚度为200～500μm；基底5上均布一层用于加热的石墨烯-碳纳米管复合材料形成石墨烯-碳纳米管复合材料层4，石墨烯-碳纳米管复合材料层4的厚度为20μm，同时由于飞机结冰时机翼1前缘冰层厚度不均匀，石墨烯-碳纳米管复合材料的形状被激光割成条状或网格状，可通过改变条状间距和网状孔隙大小在加热功率恒定的条件下控制不同区域加热功率，降低防除冰能耗；当石墨烯-碳纳米管复合材料为条状，其宽度10～30mm，长度小于1000mm；
石墨烯-碳纳米管复合材料层4两端均设置有电极7，电极7材料为含有1％～5％石墨烯粉的导电银浆；石墨烯-碳纳米管复合材料层4上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层6,石墨烯薄膜层6厚度为30μm，其横向导热系数500～1300W/mK，纵向导热系数10～15W/mK，绝缘性能良好，同时石墨烯薄膜层6具有双面粘性，而且石墨烯-碳纳米管复合材料层4与石墨烯薄膜层6之间还设有第一绝缘层8，第一绝缘层8材料聚酰亚胺膜，厚度为20～50μm；石墨烯薄膜层6上设有第二绝缘层9，第二绝缘层9材料聚酰亚胺膜，厚度为30μm；由于石墨烯薄膜层6的双面粘性可保证第一绝缘层8和第二绝缘层9粘结可靠。
工作时采用恒流或恒压电源3通过串联或并联方式供电，通过改变供电功率可有效的在不同结冰条件下进行防除冰工作，经试验测得：恒流电源3电流大小为10～50A，表面加热温度为60～150℃，每平米石墨烯-碳纳米管复合材料层4所需功率为600～800W，所需功率远小于现有的电加热系统。
本发明一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构的制备方法，包括步骤：
(1)采用激光切割的方式将石墨烯-碳纳米管复合材料切割成条状或网格状，同时保证边缘无毛刺，电阻误差不超过5％；
(2)采用聚酰亚胺膜作为基底5，将条状或网格状的石墨烯-碳纳米管复合材料均布在基底5上形成石墨烯-碳纳米管复合材料层4；
(3)将石墨烯-碳纳米管复合材料层4两端均匀涂上导电银浆作为电极7，待导电银浆固化后在表面铺设带有接线端子的铜带，并进行通电测试；
(4)将石墨烯-碳纳米管复合材料层4上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层6，石墨烯薄膜层6具有双面粘性，石墨烯-碳纳米管复合材料层4与石墨烯薄膜层6之间设有第一绝缘层8，石墨烯薄膜层6上设有第二绝缘层9，第一绝缘层8和第二绝缘层9的材料均为聚酰亚胺膜；
(5)采用高温热压机对上述结构边缘部分进行封装，封装在真空环境下进行，排除各层之间空气，施加压力保证各层粘结可靠，得到电加热结构。
其中本发明中的石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法如下：
1)将石墨烯微片在超声作用下均匀分散在无水乙醇和水混合溶液中，配制成石墨烯含量为0.1mg/ml的分散液；
2)将二茂铁和噻吩加入到步骤1)分散好的分散液中，超声15分钟均匀分散。二茂铁和石墨烯质量比为10:1，噻吩和石墨烯质量比为2:1。
3)将步骤2)中配制好的分散液在搅拌下放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中。200℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温。反应产物经分离、洗涤、烘干，待用。
4)将步骤3)中烘干好的反应产物加入刚玉坩埚中，通过化学气相沉积法进行沉积碳源，沉积反应区包括三个温度区，分别为气化区，第一恒温区和第二恒温区，沉积反应区抽真空，然后将气化区温度升至600℃，第一恒温区和第二恒温区温度升至1400℃，然后向沉积反应区通入1L/mim的氩气和氢气，氩气和氢气通入体积比为1:1。在通入氩气和氢气4min后充满整个反应空间，然后通过注射泵向反应区通入无水乙醇，注入速率为20ml/min，反应60min。反应完成后，停止加热，关闭氢气，待所述的炉腔中的温度都降到常温时，关闭氩气。打开炉腔取出反应产物，得到石墨烯-碳纳米管复合材料。
Claims (8)
1.一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，其特征在于：该电加热结构以聚酰亚胺膜为基底，所述基底上均布一层用于加热的条状或网格状石墨烯-碳纳米管复合材料形成石墨烯-碳纳米管复合材料层，所述石墨烯-碳纳米管复合材料层两端均设置有电极，所述石墨烯-碳纳米管复合材料层上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层,所述石墨烯薄膜层具有双面粘性。
2.根据权利要求1所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，其特征在于：所述电极材料为含有1％～5％石墨烯粉的导电银浆。
3.根据权利要求1所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，其特征在于：所述基底的厚度为200～500μm。
4.根据权利要求1所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，其特征在于：所述石墨烯-碳纳米管复合材料为条状，其宽度10～30mm，长度小于1000mm。
5.根据权利要求1所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构，其特征在于：所述石墨烯-碳纳米管复合材料层与石墨烯薄膜层之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层厚度为20～50μm；所述石墨烯薄膜层上设有第二绝缘层，所述第二绝缘层厚度为30μm，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为聚酰亚胺膜。
6.一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)采用激光切割的方式将石墨烯-碳纳米管复合材料切割成条状或网格状，同时保证边缘无毛刺；
(2)采用聚酰亚胺膜作为基底，将条状或网格状的石墨烯-碳纳米管复合材料均布在基底上形成石墨烯-碳纳米管复合材料层；
(3)将石墨烯-碳纳米管复合材料层两端均匀涂上导电银浆作为电极，待导电银浆固化后在表面铺设带有接线端子的铜带，并进行通电测试；
(4)将石墨烯-碳纳米管复合材料层上铺设一层用于绝缘导热的石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层具有双面粘性；
(5)采用高温热压机对上述结构边缘部分进行封装，得到电加热结构。
7.根据权利要求6所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中封装在真空环境下进行。
8.根据权利要求6所述的一种用石墨烯-碳纳米管复合材料的防除冰电加热结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中石墨烯-碳纳米管复合材料层与石墨烯薄膜层之间设有第一绝缘层，石墨烯薄膜层上设有第二绝缘层，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为聚酰亚胺膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20200413 Address after: Yudaojie Qinhuai District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 29 210016 Applicant after: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Applicant after: JIANGSU XFNANO MATERIALS TECH Co.,Ltd. Address before: Yudaojie Qinhuai District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 29 210016 Applicant before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190607 |