摘要：碳纤维是一种纤维状的碳素材料，这种材料的含碳量在93%，其结构为石墨结构。碳纤维材料与其他材料相比，具有不少优点。例如：强度高，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，导电，传热性好等等。本文通过对碳纤维电热元件的特性以及碳纤维电热元件的失效类型和影响因素进行研究，并且对碳纤维电热元件的应用范围有了一个大致的了解。
关键词：碳纤维；电热元件；特性；影响因素
1碳纤维电热元件的特性
通过专业人员的实践，我们发现碳素材料在热传导和热辐射性这两方面都要优于其他材料，尤其是碳素材料当中的碳素纤维，碳素纤维的直径较小，但是外表面积却很大，所以这类材料非常适合被用来制造辐射加热元件。[1]碳素纤维的特性如下：
第一、碳素纤维的耐高温性较强，为了证明这一特性，我们将碳素纤维进行实验后发现，其最高可以用作3000摄氏度的电热元件。
第二、碳素纤维材料的机械冲击性较强，且热导率较高，但是其热膨胀系数却较小。
第三、碳素纤维材料的机械强度比较高，即使是在高温的情况在，该类材料的强度也不会随之减少。
第四、碳素纤维材料的可加工性较大，由于这类材料的韧性较好，所以在对其进行加工的是时候可以将其加工成各式的几何形状。
第五、碳素纤维材料的成分中有93%都是有碳组成，所以其化学稳定性比较高，耐酸碱性也比其他材料要强。
第六、碳的本色为黑色，所以碳素纤维材料的颜色接近于黑色，所以其耐辐射能特性比较优异。
第七、由于碳素纤维材料的电阻率适宜并且还可以对其进行调控，因此，碳素纤维材料可以实现可柔性设计。
第八、碳素纤维常被用来作为各种远红外加热器和健康理疗的器件，其主要是因为这类材料具有良好的红外辐射特性。
第九、碳素纤维的表面积比较大，而且使用碳素纤维材料制成的电热元件表面的负荷率也比较低，所以这一类的电热元件非常耐用。
第十、碳素纤维材料是以碳纤维为主要的构造成分，因此，碳素纤维和其他的碳材料或者是发热原料来制成特殊功能的电热体。
2碳纤维电热元件的类型和应用形式
2.1类型
通常来说，碳素辐射电热体的表现形式主要有两种，一种是碳素纤维或者是柔性石墨，另一种是碳素复合材料或者是石墨。[2]这两种的特性不同，前者的表现形式是软质，后者的表现形式的硬质。根据制造工艺和用途的不同，通常可以将碳素纤维类的软质发热体材料加工制造成绳、板、布、网或者是带等之类的形态，适用于各类场合的需要。
而硬质类的碳素发热体主要有碳素复合材料和石墨。其中碳素复合材料的发热体是将高残碳量的树脂作为自己的基本材料，然后在按照比例将碳素纤维材料作为增强材料添加进去，再经过不同的工序来生产出胚形，最后经过高温的碳化，由此来形成多孔的碳素复合材料；而石墨发热体则是有石油焦等原料经过粉碎、筛分、配料、混合以及成型等工序生产出原型，在经过烧制、石墨化等工序将其制作成多需的发热元件。[3]因此，这类的材料可以加工成管状、棒状等用品。
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2.2应用形式
根据碳纤维材料的特性，我们发现，当我们在我们在对这类材料进行加工的时候，其灵活性较大。通过不同的工艺程序，碳纤维材料可以加工成任何形式的电热元件。其主要形式有五个方面，分别是：一、碳纤维电热纸，这类表现形式主要是将短切的碳纤维和纸浆进行混合然后在将这类材料进行造纸而得；二、碳纤维电热板，这类形式的制作过程是将短切的碳纤维原料与高温树脂进行复合固化加工而成。三、碳纤维电热线，这类形式是将绝缘耐高温的橡脂体将碳纤维长丝包裹起来，然后把其制作成柔性的导线电缆。四、碳纤维电热管，这类的制作工序是将碳纤维装在石英管内，进行密封，然后将里面的空气抽空之后，将街头引出制作而成。五、碳纤维增强电热元件，这类形式是将碳纤维与碳进行复合，然后将其制作成碳复合材料，最后将其进行加工后制作成所需的形状而成。[4]
3碳纤维电热元件的失效类型以及影响因素
3.1失效类型
根据碳纤维电热元件的实际应用情况总结来看，目前碳纤维电热元件的失效类型的表现形式主要有以下几种：第一种是碳纤维发热体的螺距不够均匀；第二种是电热元件的真空石英外管的内壁出现白雾沉积；第三种是螺旋发热体的支撑芯变形或者是结垢；第四种是电热元件的接头脱线或者是烧断；第五种是发热体在通电的时候出现局部亮点的情况；第六种是电热元件的石英保护管在使用的过程当中出现爆裂；第七种是发热体的表面出现起毛或者是断丝等情况；最后一种就是碳纤维电热体因为没有支撑芯螺旋出现塌陷的情况。
3.2失效影响因素
关于碳纤维电热元件失效的主要影响因素主要有四个方面，其分别为：支撑芯材质、电热体缠绕工艺、接点处理工艺以及高温定型工艺。下面我们将分别从这四个方面来对其影响进行分析。[5]
首先是支撑芯材质方面的影响，这一类的影响主要是因为生产成本的限制。由于生产成本的限制，导致在生产碳素纤维电热元件的时候选用的支撑芯的材料一般是我国国产的透明石英型玻璃管，因为透明型玻璃管的成本比较低，而且这类石英型的玻璃管内部所含杂质较高，这也就降低了石英型玻璃的粘性，导致结构变得松弛，软化点也有所降低。因此，当这类的电热元件被使用时，在表面温度达到1000摄氏度左右的时候，该支撑芯也就会开始出现变形。
第二是电热体方面的影响，这一方面导致失效的电热体主要为股线型碳素纤维电热体。其主要原因是因为这一类的电热体在制备方面所采用的是手工缠绕，所以螺距的不均匀问题是在所难免的，螺距的不均匀自认也就会导致电热体的失效。
第三是接点处理工艺的影响，这一方面影响的主要原因就在于碳素电热体和电源之间的那根金属引线可能会产生一个有效的电阻。产生电阻的主要原因也就在于这根引线大多采用的是导电性良好的金属引线。
最后就是高温定型工艺的影响，这类的影响主要是因为高温定型的制备是无支撑芯碳素复合材料电热体当中最为重要的一步，所以在定型的时候，胶量方面或多或少的或不够均匀，尤其是在胶量过大或者是定型胶质量不好的时候，都会导致无支撑芯的质量出现问题。
结语
碳素纤维材料在各个方面都具有良好的特性，国内已经利用将这一材料广泛的应用到工业生产当中去。不管是空调加热器、车用电热器还是各类的烘烤设备等等，都有这一材料的应用。在未来的发展当中，随着对这一材料的开发，其所涉及的领域将会更加的广泛。
参考文献：
[1]戎光道.我国碳纤维产业发展现状及建议[J].合成纤维工业，2013，36（2）：41-45.
[2]姚武，左俊卿，吴科如等.碳纳米管-碳纤维/水泥基材料微观结构和热电性能[J].功能材料，2013，44（13）：1924-1927，1931.
[3]刘鹰.常用碳纤维发热元件性能分析及应用[J].工业加热，2015，（5）：19-22.
[4]刘鹰.影响碳纤维石英电热管产品性能的几个技术关键点[J].工业加热，2015，（4）：10-12.
[5]Jiancheng Yang，Yan Li，Yanbo Zhao et al.The Risk and Disease Analysis and Disposal of Yellow River Sluices in Shandong[C].//Architecture，building materials and engineering management IV：Selected，peer reviewed papers from the 4th International Conference on Civil Engineering，Architecture and Building Materials（CEABM 2014），May 24-25，2014，Haikou，China.2014：2070-2072.
论文作者:林东旭
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/19
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