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《南京航空航天大学》 2017年
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碳纳米管复合材料发热器件的基本性能研究

张粲  
【摘要】:飞机低音速穿过云层时,容易被过冷水滴撞击机体表面,从而形成冰层。飞机结冰将会对飞机的操纵性能、气动力和安全产生巨大威胁。因此飞机防除冰问题不容忽视。电热防除冰技术因其能耗低、除冰效果好且容易控制等优点,近年来受到越来越多的重视。电热防除冰技术常用的材料为金属或者含有金属层的复合材料。碳纳米管具有优异的力学性能、导电性能和传热性能,其刚度、熔点及导电率远远高于传统金属材料。因此,本文研究使用含有碳纳米管的聚合物作为加热元件的可能性,以使得防除冰器件同时具有良好的热学和力学性能。文章具体研究内容主要有以下几个方面:(1)制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纳米管无纺布/环氧树脂复合材料,分析对比两者基本的力学和电学性能,并结合实际工艺情况,选择后者作为安全高效的发热元件。(2)设计和制备了具有多层材料结构的电热器件原理样件,并搭建实验系统测试复合材料和原理样件的电热性能。在实验室环境下,含有碳纳米管复合材料的平板形电热器件发热良好,能快速达到防除冰要求。(3)对发热元件进行基本性能测试并建立理论模型。首先,利用修正混合法则和Halpin-Tsai模型,预测发热元件的力学性能,与实验结果吻合较好;其次,测试了发热元件的电加热性能,实验证明其发热性能良好;最后分别在理想状态和自然对流情况下对发热状态进行理论计算,为实验和进一步优化设计提供理论指导。(4)对发热器件进行基本性能测试并建立理论模型。根据层合板经典理论对蒙皮内侧力学模型进行简化;考虑温度变化对发热器件应力的影响,推导出考虑温度应力的力学模型,为简化实验提供思路;最后测试了发热器件的热性能,实验证明其在较低的功率密度下发热良好;引入基于Fluent软件的瞬态传热计算模型,对发热器件在实验室环境下的工作状态进行数值模拟,与实验结果吻合较好。碳纳米管无纺布/环氧树脂复合材料制备工艺简单,具有良好的导电、导热和力学性能,对寻找安全高效的发热传热器件积极有益,在防冰除冰技术中也具有良好的应用前景。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V244.15

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