碳纖維是一種新型的高性能纖維增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度，高模量，耐高溫，耐碳纖維是一種新型的高性能纖維增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度，高模量，耐高溫，耐磨，抗疲勞，耐腐蝕，抗蠕變，導(dǎo)電和導(dǎo)熱等諸多優(yōu)異性能。它可減輕構(gòu)件重量，從而提高了構(gòu)件技術(shù)性能。因此用碳纖維作為電熱體有著金屬、PTC等電熱體所不可比擬的諸多的優(yōu)異性能：
升溫迅速
能產(chǎn)生人體需要的生命之光遠(yuǎn)紅外線8μm－15μm。
電熱轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)省電能
碳纖維電熱體是一種全黑體材料，電熱轉(zhuǎn)化效率比金屬發(fā)熱提高30%，電熱效率約100%。
抗拉強(qiáng)度高
在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，碳纖維的強(qiáng)度比金屬絲高6—10倍，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生折斷，因此在電熱過(guò)程中抗拉強(qiáng)度沒(méi)有什么改變。
斷線不起弧
有效杜絕火災(zāi)的發(fā)生。
重量輕
有效減輕構(gòu)件重量，從而提高了構(gòu)件技術(shù)性能。
化學(xué)性能穩(wěn)定
耐腐蝕，不易被氧化。在無(wú)氧狀態(tài)下加熱到3000度，其機(jī)械性能不發(fā)生任何變化，在電熱狀態(tài)下克服了金屬絲、PTC、碳化硅電熱體強(qiáng)度低，易氧化燒斷的缺點(diǎn)。
使用壽命長(zhǎng)
碳纖維發(fā)熱體與建筑同壽命。
路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素,在冬季,當(dāng)水泥混凝土路面因降雪而積雪結(jié)冰時(shí),給行車安全和人民生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響,甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損 失。目前世界各國(guó)廣泛采用撒鹽(NaCl,CaCl_2)來(lái)融雪化冰的方法,嚴(yán)重影響道路路面混凝土的耐久性,對(duì)路面設(shè)施造成損害,破壞周圍生態(tài)環(huán)境,因 此尋求新型的融雪化冰方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文將碳纖維發(fā)熱線作為電熱材料鋪設(shè)于混凝土路面中,以路面冬季融雪化冰為研究背景,對(duì)碳纖維發(fā)熱線混凝土的電熱效應(yīng)融雪化冰的可行性進(jìn)行了研究,同 時(shí)應(yīng)用傳熱學(xué)知識(shí),對(duì)影響融雪化冰效果的因素進(jìn)行了試驗(yàn)分析,所做的研究對(duì)碳纖維發(fā)熱線用于混凝土路面融雪化冰的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。主要 工作如下:
(1)根據(jù)能量守恒定律,建立并求解碳纖維發(fā)熱線混凝土電熱升溫和降溫微分方程,得到碳纖維發(fā)熱線混凝土在升溫和降溫階段溫度隨時(shí)間的變化曲線,該曲線綜 合反映了混凝土的截面尺寸、散熱面積、電熱功率以及對(duì)流輻射換熱系數(shù)對(duì)混凝土升降溫過(guò)程的影響。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試布置碳纖維混凝土的電熱升溫和降溫曲線,試驗(yàn) 結(jié)果與理論計(jì)算值吻合較好。
(2)利用碳纖維發(fā)熱線的電熱效應(yīng)進(jìn)行路面融雪化冰時(shí),對(duì)流輻射換熱損失是影響路面融雪化冰效果的主要因素,而風(fēng)力等級(jí)、環(huán)境溫度、有無(wú)隔熱層等對(duì)熱量損 失有很大影響。通過(guò)分析混凝土大板在不同的輸入功率下板表面溫升與風(fēng)力等級(jí)、環(huán)境溫度的關(guān)系,得到風(fēng)力等級(jí)、環(huán)境溫度對(duì)板表面溫升效果的影響;通過(guò)對(duì)混凝 土小板有、無(wú)隔熱層的溫升試驗(yàn)研究,得到有、無(wú)隔熱層時(shí)板表面溫升效果的差別。
(3)建立碳纖維發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的試驗(yàn)裝置,對(duì)碳纖維發(fā)熱線混凝土板的發(fā)熱均勻性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,研究結(jié)果表明,當(dāng)間距為10 cm時(shí),碳纖維發(fā)熱線混凝土通電后,混凝土板表面能產(chǎn)生均勻分布的熱量,以滿足均勻融化冰雪的需要。 (4)對(duì)碳纖維發(fā)熱線混凝土小板進(jìn)行室內(nèi)(冰柜)融化冰雪的試驗(yàn)研究,得到輸入功率、環(huán)境溫度和冰雪層的厚度對(duì)融化時(shí)間的影響,在此基礎(chǔ)上,對(duì)混凝土大板 在野外進(jìn)行了融雪化冰應(yīng)用試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,當(dāng)鋪裝功率為500 W/m~2～1000 W/m~2時(shí),利用碳纖維發(fā)熱線混凝土板通電后產(chǎn)生的熱量能夠有效地清除路面上的冰雪,滿足冬季道路融雪化冰的需要。
(5)發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的溫度場(chǎng)有限元分析采用結(jié)冰的路面作為研究對(duì)象。由試錯(cuò)法根據(jù)溫升試驗(yàn)的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果確定溫度場(chǎng)有限元分析中的重要參數(shù)
