基于碳納米管薄膜的新型電熱防除冰系統設計及其應用性能

解傲寒 李 夢 趙 欣 黃成超 徐梓軒

（中國民用航空飛行學院，廣漢 618307）

文 摘 對新型化學氣相沉積法（CVD 法）制備的碳納米管薄膜（CNTF）的相結構和微觀形貌進行了表征。根據CNTF 內的碳納米管雜亂交錯，排列無規則，但孔隙率較高的微觀結構特點，提出了基于這種CNTF的飛機電熱防除冰系統的設計方案及其制備工藝流程。該方案采用了CNTF 和環氧樹脂等輕質材料，對樣件制備工藝進行了探討和優化。通過電發熱特性測試及防除冰功能測試對此種新型電熱防除冰系統樣件的電熱性能進行了研究。試驗結果表明，此種新型電熱防除冰系統結構簡單，質量小，易于與飛機鋁合金蒙皮相結合，有利于減小飛機空重，降低飛行成本；在電熱過程中獲得的有效平均溫度為47℃，可有效地加快冰層融化，在實際應用中具有良好的前景。

0 引言

飛機動態結冰是指過冷液滴、冰晶或其混合相在飛行中的飛機表面凝結聚集的現象。當發生飛機結冰時，冰層會改變飛機的氣動外形甚至是引起作動面的凍結卡阻，給飛行安全造成嚴重的威脅。

為了應對飛機結冰問題，現代飛機常采用主動式和被動式兩大類的防除冰技術［1］。被動式防除冰包括疏水涂層和磁誘導等具體技術，這些技術通過提高飛機機體表面材料的疏水性來防止過冷水滴在飛機表面形成駐留聚集。由于現有技術處理后機體表面材料的耐久性和防除冰可靠性仍較低，被動式防冰技術目前還沒有成為相關技術領域的主流。主動式防除冰主要包括機械防除冰、液體防除冰和熱力防除冰等幾類技術。其中，電熱防除冰技術具有熱效率高、響應速度快、結構簡單、局部溫度更易控制、清潔環保等一系列優點［2］，在工程當中得到了較多的應用。電熱防除冰技術［3-4］，是將電能轉化為熱能，使熱能轉移到固壁表面，蒸發液滴或融化冰層，然后通過飛機飛行時的離心力或氣動力將液滴或冰移除的防除冰技術。電熱防除冰系統主要具有3 種功能：（1）蒸發飛機表面聚集的液滴；（2）防止撞擊到飛機表面的過冷水滴發生凍結；（3）融化飛機表面已經形成的冰層，破壞冰層與機體表面的粘附力［5］。本質上，電熱防除冰系統就是一套電加熱裝置，這套裝置的核心部分是電發熱材料。隨著全電飛機及無人機等新型航空器的蓬勃發展，結構質量小、飛行載荷低的電熱防除冰系統越來越受到人們的青睞，對電發熱材料的研究也逐漸從傳統金屬類材料發展到陶瓷類無機材料。

在實際電熱防除冰技術的應用中，BUTORA 等人開發了一種低功耗的電熱防除冰系統（LEDP）［1］，該系統由兩個加熱單元、電子控制器、儲能單元、駕駛艙控制單元等部分組成，其平均能耗僅為9.7 W/cm2。英國GKN 宇航公司開發了一種全新的金屬沉積技術，即把液態金屬直接噴涂到玻璃纖維織物上形成導電層，再通過持續的電加熱產生均勻的熱量作用到復合材料的機翼前緣［6］。2012年，馬莉婭等人首次在國內提出了用碳纖維復合材料作為電熱防除冰技術的技術方案，該方案采用了包括加熱層、外表層、膠粘層、絕緣支撐層和隔熱層的多層結構，并通過計算和實驗驗證了方案的可行性［7］。上述系統雖然降低了能耗，但結構都較為復雜，容易產生故障。而且，復雜的結構會使得電熱防除冰系統質量增大，這將增大飛機空重，增大飛行載荷，降低經濟效率。

另一方面，隨著對碳納米管（CNT）研究的不斷深入，人們發現由碳納米管制備的全碳薄膜材料表現出了極低的電阻率和很高的導熱系數［8-11］，容易實現性能的設計和調控，而且一般能夠和具有復雜外形的航空復合材料結合在一起，在飛機電熱防除冰領域表現出了美好的應用前景。本文主要介紹了一種基于碳納米管薄膜的結構簡單、能耗較低的飛機電熱防除冰系統，并對該系統的電熱特性及融冰性能進行了實驗表征。

1 實驗

1.1 電熱系統的設計與樣件制備

1.1.1 碳納米管薄膜的選用及發熱薄膜的形狀與尺寸

本文所介紹的基于碳納米管薄膜的飛機電熱系統采用四川福萊特科技有限公司提供的FLE-02 型大面積連續碳納米管柔性薄膜材料（CNTF）作為發熱薄膜，此型CNTF 由化學氣相沉積（CVD）方法制成的。該型CNTF 的電導率約為（3～8）×104S/m，較大的電阻可以保證在相同電流下，產生較大的功率，獲得更多的熱能，有利于進行防除冰工作。該型CNTF 厚度僅為10～20 μm，拉伸強度約為60～120 MPa。其柔韌性良好，在180°條件下折疊1×104次不出現明顯破損，有利于將CNTF 復合到飛機機翼等曲面結構上。同時，該型CNTF 為工業級產品，在生產過程中材料的各項理化指標穩定。

作為電發熱材料的CNFT 的形狀設計及尺寸如圖1所示。這種“2”字形的發熱薄膜具有的兩端電阻約為8.5 Ω，比整體尺寸大小（30 mm×50 mm）相近的同種矩形發熱薄膜的兩端電阻（4.4 Ω）更高，在滿足通電發熱的功率要求時，可以使用較小的系統電流，有利于保護系統電路中的其他元器件，同時還能在一定程度上節約價格昂貴的大尺寸CNFT 的用量。在有需要的情況下，可以通過串聯的方式比較方便地增大發熱體面積。

圖1 發熱薄膜的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of heating film

1.1.2 電熱系統的電路與結構設計

整套電熱系統布置在作為飛機氣動承載結構的航空鋁合金蒙皮內側，通電后CNTF 發熱，熱量通過導熱性能良好的鋁合金蒙皮傳導到飛機機體外表面，實現防除冰功能。為了實現安全用電并避免在工作時過多地消耗機載電能，影響飛機的工作性能，采用28 V 航空直流電源作為系統電源。根據某型飛機《飛行員操作手冊》的要求，在結冰條件下持續運行的防除冰系統應理想地保持大約38～54 ℃的表面溫度［12］，選擇關斷溫度為55 ℃的PTC（Positive Temperature Coefficient）常閉串聯式陶瓷控溫開關來保證通電后系統中CNTF 的發熱溫度維持在55 ℃左右。結構方面，為了實現飛機承載結構和電熱防除冰功能的一體化，采取將CNTF 通過樹脂直接粘附在航空鋁合金蒙皮內側的方案，防止電熱系統接通后，飛機機體結構帶電。為保護發熱薄膜材料，設計使用一層玻璃纖維增強的環氧樹脂基復合材料布對內側裸露的薄膜材料進行粘貼遮蓋。構建起的電熱系統的電路與結構如圖2所示。

圖2 電熱系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric heating system

1.1.3 電熱系統的樣件制備

依據圖2所示的設計方案制備的電熱系統樣件見圖3。其中樹脂粘接層所用樹脂由E-44 環氧基料和650 固化劑按照質量比1∶1 的比例均勻調和制得。采用厚度為1 mm 的LY11 鋁合金板材制作電熱系統樣件中的航空鋁合金蒙皮（簡稱蒙皮）部分，鋁合金板的面積為10 cm×10 cm。

圖3 電熱系統樣件的外觀圖Fig.3 Appearance drawing of electric heating system sample

首先使用無水乙醇對鋁合金板進行清洗，除去其表面的油脂等雜質。然后在鋁合金板代表機體內側的一面上涂覆粘接樹脂1.5 g，通過涂膜器將樹脂層的濕膜的寬度及厚度分別控制在8 cm 和75 μm。將涂覆了樹脂的鋁合金板放入烘箱中在30 ℃的無鼓風條件下預固化2 h。取出自然冷卻后，在樹脂涂層上鋪貼如圖1所示的發熱薄膜，使薄膜靠近鋁合金板的表面與樹脂涂層緊密地貼合。然后將上述物料放入烘箱中在60 ℃的無鼓風條件下保溫2 h，實現樹脂層的完全固化。樹脂涂層完全固化后，使用A528 單組分石墨導電膠（Ausbond，Shenzhen）將銅箔（0.05 mm，99.99wt%Cu）與導線接頭粘接在碳納米管薄膜上，銅箔的尺寸與圖1中的導線連接區域相同。使用同樣的導電膠將開關溫度為55 ℃的常閉式PTC溫度開關粘接在碳納米管薄膜層中部位置，構建起圖2所示的電路。然后將一層10 cm×8 cm 的涂有150 μm厚的環氧樹脂涂層的玻璃纖維帶覆蓋在整個電熱系統上，如圖3所示。最后將上述物料放入烘箱中在60 ℃的無鼓風條件下保溫2 h，實現玻璃纖維帶與環氧樹脂涂層的完全固化。玻璃纖維帶與環氧樹脂涂層固化后可對發熱薄膜形成保護。

1.2 分析與測試

1.2.1 CNTF的微觀表征

采用Bruker D8 ADVANCE 型X 射線衍射在2θ=5～85°范圍內對選用的CNTF 進行分析來表征其物相。使用FEI Inspect F50 場發射掃描電子顯微鏡觀察選用的CNTF的微觀形貌。

1.2.2 電熱系統質量稱量

采用YH-A1003 型電子天平對沒有進行電熱防除冰系統鋪設的空白鋁合金板和電熱防除冰系統樣件進行稱量，精度為1 mg。

1.2.3 涂層附著力測試

采用《ASTM D 3359—2002用膠帶測試測量附著力的標準方法》中的劃×法對在常溫下附著在鋁合金板材上的環氧樹脂涂層進行附著力測試［13］。將測試結果與標準對比，然后對附著力等級進行評價。標準等級由低到高分為：0A、1A、2A、3A、4A、5A。其中3A～5A級為可接受等級。

1.2.4 電發熱性能測試

使用同門科技直流穩壓電源eTM-305P。該數字型電源可調電壓精度為0.01 V，可調電流精度為1 mA。將電壓設置為28.00 V，設置不同大小的電流測試不同功率下電熱系統的發熱情況。

如圖4所示，在蒙皮外側表面均勻劃分網格，網格的縱橫間距均為10 mm，將5 個K 型熱電偶測溫探頭粘貼安裝在圖中所示的各個位置上，再通過K 型測溫線將測溫探頭連接到開普森YET-610 測溫儀記錄各位置溫度，將某時刻在5個測溫點獲得的溫度平均值作為該時刻蒙皮外層表面溫度。

圖4 測溫探頭的安裝位置Fig.4 Installation position of temperature probe

使用HT-102 型紅外熱成像儀拍攝發熱體在發熱過程中的如圖3所示蒙皮外側的溫度分布情況。拍攝時將攝像頭置于樣件正上方30 cm處進行拍攝。

在由空調調節的20 ℃的環境溫度中，將飛機承載結構和防除冰功能一體化復合材料同外部直流28.00 V 電源連接。打開開關后，電熱系統開始發熱，記錄不同電流下電熱系統結冰一側的溫度和發熱時間。

1.2.5 防除冰性能測試

使用電子天平稱量不同質量的蒸餾水置于直徑為2.8 cm 的圓柱形塑料小杯中。將稱量好的不同質量的蒸餾水放置于-12 ℃的冰箱冷凍室中凍結2 h制作測試所用的不同質量的冰塊。在由空調調節的20 ℃的環境溫度中，將電熱系統樣件同eTM-305P型直流穩壓電源連接，設置電壓為28.00 V。分別用鑷子將不同質量的冰塊迅速放置到電熱系統樣件航空鋁合金蒙皮外表面的中心區域，分別記錄不同質量的冰塊在電熱系統不通電條件下的自然融化的時間，以及不同質量的冰塊在系統通電后不同熱流密度條件下的完全融化時間。

2 結果與討論

2.1 CNTF的微觀特征

圖5為CNTF 的XRD 譜線。研究表明，CNTF 的波峰相對較寬，說明其晶粒細小、相對結晶度較低，是納米級的混合晶體。對比石墨的XRD 標準圖譜，二者的2θ值都出現在26°附近，說明CNTF 的成分與石墨成分一致。CNTF 峰值相對石墨偏左，說明其內部含有少量非定型碳或是制備過程中所加入的催化劑中含有少量雜質。

圖5 CNTF的XRD譜線Fig.5 XRD of CNTF

圖6為CNTF 的表面SEM 形貌（加速電壓10.00 kV）。由圖6（a）可知，碳納米管薄膜內的碳納米管雜亂交錯，排列無規則，但其孔隙率較高。CNTF 的微觀形貌有利于其與環氧樹脂共固化時，環氧樹脂分子充分進入碳納米管薄膜，進而可提高碳納米管薄膜與樹脂基體的結合力，并且還能夠提高膠接層合材料本身的韌性。從圖6（b）可見，在碳納米管上還附著一些納米級的雜質，分析認為，這是通過CVD 法制備碳納米管薄膜時殘留的部分金屬催化劑［14］。

圖6 CNTF的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of CNTF

2.2 電熱系統質量

對鋁合金板進行3次稱量，取平均值得到鋁合金板的質量M鋁板=26.413 g。對電熱防除冰系統樣件進行3次稱量，取平均值得到電熱防除冰系統樣件的質量M樣件=34.454 g。根據計算式M系統=M樣件-M鋁板，得到電熱系統質量M系統=8.041 g。

2.3 涂層附著力

常溫下測試結果如圖7所示。測試結果同標準對比后，可以認為環氧樹脂涂層在鋁合金板材上的附著力級別到達5A 級，即附著力最強級別。極強的附著力可以保證電熱系統與鋁合金板材的結合足夠穩定，當飛機飛行時，遇到較大的不穩定的氣流產生震動時，飛機承載結構與防除冰功能一體化材料隨飛機震動而被震動時，電熱系統與鋁合金板材也不會脫離，可以穩定的實現防除冰功能。

圖7 附著力測試結果Fig.7 Adhesion test results

2.4 電發熱特性

在不通過PTC 控溫開關進行溫度控制，即接通電路直接加熱時，可視作將圖4中的PTC 去掉，然后將圖4所示電路中原PTC 兩端的導線直接連接在了一起。在此條件下，將電源電壓設置固定在28.00 V，電流分別 設置為1.000、1.200、1.400、1.600、1.800、2.000 A，當溫度上升速度變得非常緩慢時，使用HT-102 型紅外熱成像儀對蒙皮外表面的溫度分布分別進行紅外成像拍攝圖，結果如圖8所示。

圖8 以不同電源參數直接加熱時蒙皮外表面的溫度分布情況Fig.8 Temperature distribution of the outer surface of skin when directly heated with different power parameters

從圖8可見，在不同電源參數下，蒙皮表面的溫度分布都較為均勻。這說明主要發熱材料CNTF 的面積雖然比較小，但是由于鋁合金板材是熱的良導體，使得由CNTF 所產生的熱量比較均勻地分布到了電熱系統樣件蒙皮外表面上，這種較為均勻的板面溫度分布有利于電熱系統達到良好的防除冰性能。

電熱系統的熱流密度由下列公式計算：

式中，Q為熱流密度，P為發熱功，A是鋁合金蒙皮面積，t是加熱時間。由此可得，電源電壓為28.00 V時，設置1.000、1.200、1.400、1.600、1.800、2.000 A電流時獲得的熱流密度分別為828、1 193、1 612、2 145、2 772、3 324 W/m2。

在不通過PTC 控溫開關進行控制時，得到的不同熱流密度下電熱系統溫度與加熱時間的關系如圖9所示。可以看出，在20 ℃的室溫中，電熱系統通電后，蒙皮表面溫度開始迅速上升，達到一定程度后，溫度上升趨于平緩。當熱流密度達到1 193 W/m2時，蒙皮表面溫度平衡之后已基本能夠達到電熱系統設計的控溫溫度值。隨熱流密度增大，加熱時溫度上升的速度越快，所能達到的平衡溫度也越高。因此，在結冰條件下，通過電源參數調節，蒙皮表面完全可以通過電加熱達到設計的平衡溫度值。

圖9 不同熱流密度條件下直接加熱時蒙皮表面溫度與加熱時間的關系Fig.9 Relationship between skin surface temperature and heating time during direct heating under different heat flux

按照圖4將55 ℃的PTC 控溫開關接入電路中，進行溫度控制。得到存在溫度控制時不同熱流密度條件下蒙皮表面溫度與加熱時間的關系（圖10）。

圖10 不同熱流密度下控溫加熱時蒙皮表面溫度與加熱時間的關系Fig.10 Relationship between skin surface temperature and heating time during controlled heating under different heat flux

研究表明，在加熱過程中，由于受到PTC 的控溫作用，溫度曲上升到達控溫值之后是波動變化的，熱流密度越低，溫度值波動變化的范圍越小，即溫度波動幅度越小。這是因為較大的熱流密度使得溫度以較大的速率上升，在溫度剛剛達到控溫值時，控溫開關還未斷開，產生了較多的熱量。控溫開關斷開后，這些熱量會使測得的發熱溫度繼續以較大的幅度上沖。

電熱系統蒙皮表面的平均有效溫度計算公式為：

式中，T（t）是蒙皮表面溫度與加熱時間的函數，t取初始溫度上升第一次達到最大值之時。

由式（2）計算得出熱流密度分別為1 193、1 612、2 145、2 772、3 324 W/m2時蒙皮表面的平均有效溫度分別為47.89、48.11、48.64、46.79 和45.66 ℃。這說明在不同熱流密度條件下，加熱的有效平均溫度是基本一致的，且這些平均有效溫度的數值處于38～54 ℃的設計發熱溫度區間當中。由此可以認為，在熱流密度足夠大，使得電熱系統蒙皮表面的實際發熱溫度達到55 ℃以上時，電熱系統的發熱性能是符合設計要求的。

2.5 防除冰性能

不同質量的冰塊在電熱系統不通電條件下的自然融化時間，以及電熱系統通電后不同熱流密度下的完全融化時間如圖11所示。可以看出，冰塊在加熱條件下的融化時間相比不加熱時的自然融化時間大大縮短，說明該電熱系統的融冰效果是較為顯著的。當冰塊質量相同時，逐漸增加熱流密度，冰塊融化所需的時間逐漸縮短，且呈一定的線性關系。當熱流密度不變時，增加冰塊質量，扣除電熱系統蒙皮表面從20 ℃上升到平衡溫度的時間，冰塊融化所需的時間也基本呈線性增長。而且，隨著熱流密度的增大，電熱系統蒙皮表面從20℃上升到平衡溫度所需的時間逐漸縮小。上述研究表明，設計構建的電熱系統在通電發熱的過程中，其輸出熱量的過程是穩定的，輸出熱量的速度與大小主要由不同電源參數條件下的熱流密度所決定。

圖11 不同質量冰塊完全融化時間Fig.11 Complete melting time of ice cubes with different masses

3 結論

（1）相較于常見的基于金屬發熱體電熱系統，本研究設計構建的基于碳納米管薄膜發熱體的電熱系統的結構簡單，主要由輕質材料組成，可以與飛機鋁合金蒙皮比較方便地結合在一起，有利于減小飛機空重，降低飛行成本。

（2）系統的通電發熱過程較為穩定，在不通過PTC控溫開關進行控制時，不同熱流密度系統升溫趨勢都較快達到平衡溫度并保持，熱流密度達到1 193 W/m2以上時，平衡溫度即可達到55 ℃以上。在通過PTC 控溫開關控制的實際電熱過程中獲得的有效平均溫度47 ℃，達到了設計目標，能夠有效地防止過冷水在機體表面結冰或有效地去除已凝固的冰層。

針對不同的應用場景，可以根據實際飛行所需要的熱流密度大小和可用于電熱防除冰電能來設計計算CNTF 發熱體的尺寸及鋪貼排布形式，以達到質量輕、防除冰效率高的目的，具有良好的應用前景。