用于碳纤维复合材料的电热除冰技术实验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252012V01．33NO．154—61ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca文章编号：1000—6893(2012)01—0054—08用于碳纤维复合材料的电热除冰技术实验研究马莉娅1’2，熊联友1’3，刘立强1’3一，杨娇萍3，杨岩峰31．中国科学院低温工程学重点实验室，北京1001902．中国科学院研究生院，北京1000493．中国科学院理化技

2、术研究所，北京100190摘要：针对碳纤维复合材料机翼的电热除冰技术研究现状，提出了采用多层材料结构的电热除冰垫技术方案。该电热除冰垫各层均由具有不同热功能的材料构成，其中部分材料为根据性能需要自行制备得到的。采用有限容积法(FVM)对除冰垫的性能进行了数值模拟．确定了隔热层厚度，验证了加热回路的均匀性。根据所确定的方案制备了电热除冰垫，并利用自行搭建的除冰验证装置对该电热除冰垫的性能进行了实验研究，得到了加热热流密度、来流风速、来流与除冰表面间夹角对除冰性能的影响规律。研究表明，该电热除冰垫具有良好的除冰性能，除冰方案

3、可行。关键词：碳纤维；电热除冰；多层材料结构；物性测试；除冰验证装置中图分类号：V244．1文献标识码：A碳纤维复合材料是由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，这种材料具有高比强度(材料的抗拉强度和密度之比)、高比模量(材料的模量与密度之比)等优异的力学性能，因此在飞机制造业中得到了广泛的应用[1]。在机身上使用碳纤维复合材料，可以大大减轻飞机重量、降低油耗。统计数据表明，目前碳纤维复合材料在大型客机上的使用量已占15％～50％[2。。鉴于碳纤维复合材料在机翼上的广泛应用，有必要对其相关的除冰技术进行研究。英国GKN宇航

4、公司提出了一种专门用于复合材料的电热除冰方案L3]，采用喷涂金属多层沉积技术，将液态金属喷涂到纤维织物上形成导电层，把电能转化为热能。但这种方法喷涂过程复杂，且除冰装置最终固化成型以及与机翼的连接结构需要数控加工、能耗大，在技术上存在一定的缺陷。目前国内尚无用于复合材料机翼的电热除冰方案的公开报道。针对上述研究现状，提出采用多层材料结构作为碳纤维复合材料机翼的电热除冰方案，并对其除冰性能进行了实验研究。1电热除冰方案1．1多层材料结构采用多层材料结构作为碳纤维复合材料机翼的电热除冰方案，如图1所示。该结构共由5层组成，包

5、括：加热层、外表层、胶粘层、绝缘支撑层和隔热层。外表层的作用是保护除冰装置不受来流的侵蚀，延长其使用寿命，通常是机身蒙皮，此处即为碳纤维复合材料；胶粘层具有高热导率、电绝缘的性质，保证加热层和外表层间的电绝缘，同时可以收稿日期：2011-05-09；退修日期：2011-05—26：录用日期：2011-08·29；月络出版时闰：201I,-09—1616：04网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．20110916．1604．001．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．2

6、0110916．1604．001*通讯作者．Tel．=010-62554669E-mail：Iqliu@mail．ipc．ac．crl飘用善武IMaLY．XiongLY．LiuLo．eta1．Experimentalstudyonelectro-thermaldeicingtechniqueforc<3rbonfibercomposite．ActaAeronauticaetAstr∞amicaSinica．2012．33t1)：54-61．马毳妊．熊联友，翘立强．等．甩f磺纤维复合树辩的电热除球技术实验研究．航空学报，2

7、012，33(1)：54．61．5莉娅等：川十碳纤维复合材料的电热除冰技术赏验研究7——一H。“tingIaye‘)一^bms¨)nlayer}一F1∞I。mcr}——su一一。nms，wer··—————一Thermalinsulationlayer用1具有多层材料结构的电热除冰方案Fig1Electrothermaldeicingschemewithmuhi—materialstructures减小传热热阻；绝缘支撑层通常选择强度较高的电绝缘材料，对除冰垫主体部分起到支撑作用；隔热层与机身内部结构相接触，其作用在于隔

8、绝加热层向内部的热量传递，减少对内部设备的影响⋯1。根据各J：；的作_L}】．并结合实际情况进行材料选择，同时在满足性能要求的前提下．电热除冰地的整体厚度越薄越好。表1中列出了各层所用的材料及厚度方案．其中加热层采用了应用范围较广的的高电阻电热合金——镍铬合金2080E6“。并选择了市面上能购得的厚度最薄的膜材，以利