服装用发热碳纤维串并联模型对发热效率及均匀性的影响

吴官正， 张玲， 范佳璇， 董维锋， 韩晓果， 肖学良

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

传统的保暖服装属于被动式御寒保暖，利用纤维之间的静止空气阻隔热量散失，但使用一段时间后该类服装的保暖性能会因空气层的变化而下降，因而研发人员提出积极主动的发热保暖模式[1]。他们认为发热服装对御寒保暖作用更大，特别适合某些寒冷地区的作业人员(如高海拔地区驻守士兵、登山运动员和极地考察站的工作人员等)。此类发热服装的内部装有小块面积的发热片和移动式充电宝。目前，市面上的发热片大多是基于碳纤维的发热丝束组合而成，在外接5 V左右低压电源时，能够快速为服装提供高效的热量，升温速度快，热量大，可以起到良好的发热御寒功效，具有很好的应用前景。

碳纤维(CF)因其高比强度、高比模量、低线膨胀系数、低密度、抗腐蚀、耐高温、优异的热及电传导性等功能特点[2]，在飞机制造、国防军工、汽车、医疗器械、体育器材等领域有着广泛的应用[3-5]。同时，在纺织服装领域，结合碳纤维高比强度、比模量、耐疲劳、导电、发热的优良性能，如何降低碳纤维丝束的模量，使其柔软，同时保证其良好的导电发热性能，是提高碳纤维发热面料应用的关键[6]。碳纤维按用途可分为：24K(1K为1 000根单丝)以下的宇航级小丝束碳纤维和48K以上的工业级大丝束碳纤维。碳丝束内纤维根数越多，纤维接触面积越大，发热电阻就越小，有利于发热功率的提升，但碳纤维丝束的柔软性会降低[7]。碳纤维原材料决定了其本征导电性能，通常单根碳纤维电阻率在5～17 μΩ·m，同时碳纤维的热膨胀系数小，导热系数大。碳纤维可以耐急冷急热，即使从3 000 ℃的高温突然降到室温也不会炸裂[8]，比较适合发热纤维的性能要求。

当前较为成熟的碳纤维组合发热模式比较单一，发热面积小，发热均匀性尚待考察。为了改变这一现状，文中以碳纤维作为服装发热层，设计制备不同串并联模式的发热片。通过对碳纤维发热层进行线路设计，研究发热面料的发热效率和发热均匀性。期望得到的发热面料在小于10 V低电压下即可加热使用，达到良好的发热效果，促进人体的血液循环，满足极寒地区人员对御寒服装的性能要求。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1原料 聚丙烯无纺布(25 g/m2，蓝色)，东莞佳联达无纺布有限公司生产；6K,14K碳纤维发热丝束，深圳东利电子有限公司生产。

1.1.2仪器 “4001”型学生电源(供应直流电压范围1.5～9 V)，江苏树兴教学设备有限公司制造；VC890C+胜利数字万用表，深圳驿生胜利科技有限公司制造；SU1510扫描电子显微镜，日本日立公司制造；GM320红外测温仪，深圳标智仪表有限公司制造；FLIR E5红外热像仪，美国FLIR公司制造。

1.2 碳纤维发热模型设计

1.2.1“∞”字型网格线路模型 取4根长240 mm的碳纤维制作成“∞”字型线路结构，具体如图1所示。图1中碳纤维丝束通过平铺的方式，叠加在一起，然后用双面胶固定，制得发热模块作为电路中的外接发热电阻，外接电源提供6 V电压。闭合电路开关5 s后，采集线路模型中①～③ 3个点的发热温度[9]，记为发热片的温度分布。

图1 碳纤维“∞”型发热模型设计Fig.1 Design of carbon fibers with ′∞′ type heating model

1.2.2“井”字型网格线路模型 分别取6根长110和240 mm的碳纤维丝束制作成6×6网格型线路结构，具体如图2所示。图2中碳纤维丝束通过平铺的方式，叠加在一起，然后用双面胶固定，制得发热模块作为电路中的外接发热电阻。该发热模型中含有38个交叉点(36加2个端点)，外接电源同样提供6 V电压。闭合电路开关5 s后，采集网格型线路中7个交汇点①～⑦的发热温度，以探测该网络模型的发热均匀性。

图2 碳纤维“井”字型发热线路设计Fig.2 Design of carbon fibers wtih ′井′ type heating line

2 发热材料性能测试

2.1 碳纤维性能测试

2.1.1弯曲性能测试 弯曲性能决定了碳纤维发热网格材料的柔软度。按GB/T 1449—2005纤维增强塑料弯曲性能进行实验，图3为碳纤维弯曲性能示意。分别取长300 mm的6K,14K碳纤维各一根，前端对齐放置在高度H=6 mm的纸板上，以相同的力和速度向前平推两根碳纤维丝束，当向前推进的碳纤维前端着地则停止推进。记录其弯曲段的长度S，重复5次，取S的平均值。

图3 碳纤维弯曲性能测试示意 Fig.3 Schematic diagram for testing the flexural properties of carbon fibers

2.1.2扫描电镜分析 取少量碳纤维样品，在电子显微镜中观察其纤维的表面形貌，测试电压5 kV，电流20 μA。

2.1.3导电性能测试 分别取长600 mm的6K和14K碳纤维各一束，分别测试其长度为100,200,300,400,500,600 mm时的电阻。

2.1.4碳纤维丝束交叉点导电性能测试 取两根长50 mm的6K碳纤维，十字交叉，按照发热片模型的方式用双面胶固定，测试单根50 mm碳纤维电阻和交叉两根碳纤维的电阻。同理，测试14K碳纤维在交叉点处的电阻。

2.1.5发热性能测试 类似于导电性能测试，分别取长600 mm的 6K和14K碳纤维丝束，在丝束两端接上6 V电压，分别测试其长度为100,200,300,400,500,600 mm,通电10 min后发热碳纤维丝束中间部位的温度。

2.2 碳纤维丝束发热模型性能测试

2.2.1导电性能测试 分别对6K,14K碳纤维编织的网格模型发热片进行电阻测试，按照GB/T 32993—2016用数字万用表测试发热片两个接线端口之间的电阻。

2.2.2发热性能测试 按照1.2方案，采集设定的测试点温度，分别探究“∞”字型和“井”字型网格模块发热片的温度分布规律及单点温度随时间变化的规律。

3 结果与讨论

3.1 弯曲性能

图4为碳纤维丝束弯曲性能的测试结果。图4(a) 为碳丝束弯曲测试前，6K及14K碳纤维束以相同的速度向前平推；图4(b)为两类丝束在自身重力作用下开始发生弯曲，而得到的俯视图。通过碳纤维丝束接触底面时平推长度或距离来判断碳纤维丝束的弯曲性能[10]。由图4可知，14K碳纤维前端先于6K碳纤维前端触碰到桌面，5次测得6K碳纤维和14K碳纤维前端平均弯曲长度分别为12.6 mm和11.3 mm。测试结果表明，14K碳纤维丝束弹性模量低，更容易弯曲，具有更加优异的柔韧性和可加工性。作为制备柔性发热片的基材，14K碳纤维展现出了更加优异的弯曲性能；而6K碳纤维的模量和刚性高于14K碳纤维丝束，导致在制备“∞”字型网格模型时不易控制。

图4 碳纤维弯曲性能测试俯视和侧视图Fig.4 Front and side view of bending performance test of carbon fibers

3.2 SEM表征分析

图5为6K和14K碳纤维丝束在SEM下表面形貌。由图5可知，文中使用的发热碳纤维丝直径在5 ～ 7 μm，比羊绒纤维还细，纤维呈圆柱形，表面光洁，排列整齐，纤维之间理论上是线接触，在压力作用下会有面接触，从而降低了丝束的整体导电性。在未做喷金处理的情况下，图5显示了清晰的碳纤维表面形貌，表明实验使用的发热碳纤维具有优异的导电性能。另外，光洁的纤维表面说明在碳纤维交叉接触时需要有一定的压力，以减少碳纤维丝束间的接触电阻[11-12]。

图5 碳纤维的SEM图片Fig.5 SEM images of carbon fibers

3.3 导电性能

碳纤维丝束电阻测试如图6所示。由图6可知，在长100 mm的6K，14K碳纤维之间测试的体电阻(测试压力控制在10 N)分别为9.5，6.5 Ω，证明两种碳纤维丝束具有优异的导电性能。由图6(c)可知，6K，14K碳纤维电阻值均随着长度的增加而增大，基本呈现线性增大的规律，同时测得的单束14K碳纤维导电性能优于6K碳纤维，说明碳纤维束的导电性能与测试长度和碳纤维含量有关，长度越长，纤维含量越少，则碳纤维束的电阻越大。

图6 碳纤维电阻测试 Fig.6 Resistance test chart of carbon fibers

3.4 碳纤维交叉点电阻

碳纤维交叉点电阻测试如图7所示。两束丝束间利用双面胶粘合，粘合力度一致。图7(a)中长50 mm的6K碳纤维电阻为5.9 Ω；图7(b)中两根长50 mm的6K碳纤维交叉点的电阻为51.6 Ω；图7(c)中长50 mm的14K碳纤维电阻为5.3 Ω；图7(d)中两根长50 mm的14K碳纤维交叉点电阻为53.2 Ω。测试结果表明，长50 mm 的6K和14K碳纤维丝束电阻相差不大，且电阻值较小。两根6K碳纤维丝束垂直交叉点电阻略小于14K碳纤维垂直交叉点电阻，表明碳纤维丝束内纤维数量与其接触点电阻略有相关性，其相关程度需进一步探索。

图7 碳纤维交叉电阻的测试结果Fig.7 Cross resistance of test results of carbon fibers

3.5 碳纤维线路电阻

碳纤维丝束发热线路模型的电阻测试如图8所示。图8(a)和图8(b)中6K碳纤维“∞”字型网格和“井”字型网格线路模型对应两端的电阻分别为4.6，5.5 Ω；图8(c)和图8(d)中14K碳纤维丝束相应的模型两端电阻分别为8.2，8.7 Ω。由图8可知，“∞”字型网格和“井”字型网格线路发热模型电路中有多个重复单元格组成，单元格电路之间并联连接，所测得的电阻均小于10 Ω，导电性能良好。在6 V的直流电压下，单位时间内能够释放出较多的热能，满足实际发热的应用需求。实验测得，6K碳纤维“∞”型网格和“井”字型网格发热模型均比14K碳纤维对应的发热模型导电性能优良，验证了6K碳纤维交叉电阻小于14K碳纤维交叉电阻的测试结果。

图8 碳纤维线路模型的电阻测试结果Fig.8 Resistance test results of carbon fibers with line model

3.6 发热性能

3.6.1单根碳纤维发热性能 图9为单束6K，14K碳纤维导热性能的测试结果。结合图6的测试，随着碳纤维长度的增加，碳纤维的电阻值也逐渐增大。

图9 单根碳纤维丝束发热温度与丝束长度的关系Fig.9 Relationship between the heating temperature of a single carbon fiber tow and the length of the tow

图9中，碳纤维丝束在6 V直流电压和通电10 min的条件下，单根6K，14K碳纤维丝束的发热温度随丝束长度增加而逐渐降低，且两根丝束的发热温度差距较小，14K碳纤维丝束发热量稍大。结合碳纤维导电发热性能，以及实际发热片需求考虑[13]，一般选用≤240 mm长的碳纤维制备发热服中的发热片较为合理。

3.6.2碳纤维线路模型的发热性能 图10为6K碳纤维“∞”字型网格线路发热性能测试结果。常温下，6V直流电压使得“∞”字型发热片迅速升温，10 min内在位置3个交叉点①，②，③温度分别达到71.8，64.3，74.1 ℃，1 h后3点温度仍维持在77.9，67.6，79.0 ℃。图10(d) 显示①，③两点在6 V电压下迅速升温至70 ℃以上。在接通电源的情况下，一直稳定在70 ℃以上高温；断电后，①和③点迅速降至常温，表明碳纤维丝束在通电情况下依靠释放红外线维持高温，但不具备保温性能。

图10 6K碳纤维“∞”字型线路设计发热性能Fig.10 Heating performance test chart of 6K carbon fibers with ′∞′ type line design

图11为6K碳纤维“井”字状网格模型的发热性能测试结果。

图11 6K碳纤维“井”字型线路设计发热性能Fig.11 Heating performance test chart of 6K carbon fibers with ′井′ type line design

常温下，网格型发热片亦迅速升温，10 min内7个交叉点①～⑦温度分别达到47.8，49.6，56.3，78.8，45.8，48.6和37.5 ℃,1 h后7个点温度仍维持在46.0，44.5，55.3，70.7，41.5，46.5和43.3 ℃。图11 (d) 显示①和④两点在6 V电压下迅速升温，在接通电源的情况下，一直在开始测得的温度上下波动，断电后①和④点迅速降至常温。

图12为14K碳纤维丝束“∞”字型线路模型的发热性能测试结果。常温下，“∞”字型发热片迅速升温，10 min内3个交叉点①～③温度分别达到52.5，62.8，85.5 ℃，1 h后3个点温度仍维持在51.6，63.6，82.5 ℃。图12 (d) 显示①，③两点在6 V电压下迅速升温至50 ℃以上，在接通电源的情况下，一直稳定在50 ℃以上高温，断电后①，③点迅速降至常温。

图12 14K碳纤维“∞”字型线路设计发热性能测试Fig.12 Heating performance test chart of 14K carbon fibers with ′∞′ type line design

图13为14K碳纤维“井”字状网格模型的发热性能测试结果。常温下，网格型发热片迅速升温，10 min内7个交叉点①～⑦温度分别达到42.5，44.7，50.6，67.7，42.6，49.8和38.2 ℃,1 h后7个点温度仍维持在47.1，45.4，49.5，73.9，46.3，50.1和46.9 ℃。图13 (d) 显示①，④两点在6 V电压下迅速升温，在接通电源的情况下，一直在10 min时所对应的温度上下波动，断电后①，④点迅速降至常温。

图13 14K碳纤维“井”字型线路设计发热性能测试Fig.13 Heating performance test chart of 14K carbon fibers with ′井′ type line design

3.6.3交叉点双面胶对碳纤维散热性能的影响 图14为交叉点双面胶影响碳纤维散热性能的对比情况。取3根长80 mm及3根长60 mm的碳纤维丝束编织成3×3网格型线路结构模型(见图14(a))。制作发热片作为电路中的外接发热电阻，各交叉点均不用双面胶固定，用红外热成像仪拍得红外热成像图(见图14(c))，其温度范围为25.4～82.2 ℃。将3×3网格型线路结构各交叉点用双面胶固定，得到网格型结构模型(见图14(b))，拍得红外热成像图(见图14(d))，其温度范围为25.6～76.5 ℃。对比图14(c)和图14(d)可以看出,交叉点未粘合双面胶模型能够达到的最高温度更高，二者最高温度相差不大；但是粘合双面胶的模型，碳纤维发热丝相对而言整体发热更加均匀。由此可知，双面胶对发热碳纤维散热有一定影响，但是双面胶使得结构更加稳固，碳纤维整体发热相对而言更加均匀。

综上所述，碳纤维具有优异的发热性能，在6 V直流工作电压下升温迅速，且能保持相对稳定的高温状态，通过热辐射等方式向周围传递热量，断电后降温迅速。通过比较图10～图13发现，14K碳纤维丝束“∞”字型线路设计和“井”字型网格型线路模型中，各点达到的温度总体上较6K碳纤维“∞”字型线路设计和“井”字型网格型线路对应点的温度高；“∞”字型线路设计温度分布比“井”字型网格模型更均匀，并且“井”字型网格发热片中间区域温度低、两侧温度高，存在明显的温度梯度。

图14 交叉点双面胶影响碳纤维散热性能的对比Fig.14 Comparison of cross point double-sided adhesives affecting heat dissipation performance of carbon fibers

4 结语

碳纤维丝束具有优异的导电导热性能。随着单束碳纤维长度增加，其电阻呈线性增加；在两端工作电压不变时，能够达到发热温度随着长度增加而降低的效果。

文中对6K及14K碳纤维束的柔软性能进行了测试，结果发现14K碳纤维丝束相对柔软。在长度超过300 mm和6 V工作电压的情况下，测得单束碳纤维几乎没有发热效果。“∞”字型和“井”字型网格模型将每个小单元格并在一起，形成发热串并联电路。这种线路设计的发热片，总电阻值不超过10 Ω，可满足6 V低电压下的应用要求。6K碳纤维束交叉点电阻低于14K碳纤维。其构成的“∞”字型和“井”字型网格模型电阻均较14K碳纤维对应的值小，导电性能和发热性能也更加优异。另外，在6 V直流电压下，6K，14K碳纤维束制成的“∞”字型和“井”字型网格模型发热片均有良好的发热效果，在通电情况下网格能够维持恒定的温度范围，满足市场对发热片的应用要求。