碳纳米膜及其复合材料电热及除冰性能研究

作     者：王朵朵 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛一凡;吕毅

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：碳纳米膜 碳纤维/环氧树脂复合材料 电热性能 除冰性能 力学性能 

摘      要：利用多壁碳纳米管(MWCNT)及还原氧化石墨烯(rGO)制备得到的碳纳米膜,不仅质量轻、化学稳定性好、导电和导热性能优异,同时与树脂基体浸润性良好,适合作为复合材料结构的电热元件,可有效解决复合材料应用于航空领域的结冰问题。本文制备了碳纳米膜及其复合材料,通过实验对材料的电热性能及可靠性进行研究,验证了其应用于除冰领域的可行性。首先通过真空抽滤法制备了MWCNT膜及5组不同比例的rGO/MWCNT混合膜,并与镍铬合金薄膜(PI-Kanthal)的电热性能进行对比。rGO/MWCNT=1/3的混合膜电导率最高(27.1 S/cm),输入电压为8 V时,平衡温度及升温速率可达560.2℃和85.1℃/s,具有良好的电热性能。将碳纳米膜嵌入到碳纤维/环氧树脂预浸料中制备复合材料,研究了不同输入电压及环境温度下材料的电热及除冰性能,并进行了加热-冷却循环实验及结冰-除冰循环实验,探究其电热及力学可靠性。实验结果表明,碳纳米膜复合材料比PI-Kanthal膜复合材料电热响应速度更快,温度分布更均匀,且表现出良好的电热可靠性。环境温度为-15℃时,除冰时间均小于622 s。100次结冰-除冰循环实验后,MWCNT膜复合材料的弯曲强度及模量分别下降11.99%和8.60%,加入rGO后复合材料的力学可靠性提高,弯曲强度及模量分别下降6.15%和4.47%。本文研究结果为复合材料结构防除冰系统设计与应用提供参考。