解傲寒 李 夢(mèng) 趙 欣 黃成超 徐梓軒

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618307）

文 摘 對(duì)新型化學(xué)氣相沉積法（CVD 法）制備的碳納米管薄膜（CNTF）的相結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行了表征。根據(jù)CNTF 內(nèi)的碳納米管雜亂交錯(cuò)，排列無規(guī)則，但孔隙率較高的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于這種CNTF的飛機(jī)電熱防除冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其制備工藝流程。該方案采用了CNTF 和環(huán)氧樹脂等輕質(zhì)材料，對(duì)樣件制備工藝進(jìn)行了探討和優(yōu)化。通過電發(fā)熱特性測(cè)試及防除冰功能測(cè)試對(duì)此種新型電熱防除冰系統(tǒng)樣件的電熱性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，此種新型電熱防除冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，易于與飛機(jī)鋁合金蒙皮相結(jié)合，有利于減小飛機(jī)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(shí)際應(yīng)用中具有良好的前景。

0 引言

飛機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)冰是指過冷液滴、冰晶或其混合相在飛行中的飛機(jī)表面凝結(jié)聚集的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生飛機(jī)結(jié)冰時(shí)，冰層會(huì)改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形甚至是引起作動(dòng)面的凍結(jié)卡阻，給飛行安全造成嚴(yán)重的威脅。

為了應(yīng)對(duì)飛機(jī)結(jié)冰問題，現(xiàn)代飛機(jī)常采用主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類的防除冰技術(shù)［1］。被動(dòng)式防除冰包括疏水涂層和磁誘導(dǎo)等具體技術(shù)，這些技術(shù)通過提高飛機(jī)機(jī)體表面材料的疏水性來防止過冷水滴在飛機(jī)表面形成駐留聚集。由于現(xiàn)有技術(shù)處理后機(jī)體表面材料的耐久性和防除冰可靠性仍較低，被動(dòng)式防冰技術(shù)目前還沒有成為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的主流。主動(dòng)式防除冰主要包括機(jī)械防除冰、液體防除冰和熱力防除冰等幾類技術(shù)。其中，電熱防除冰技術(shù)具有熱效率高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、局部溫度更易控制、清潔環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)［2］，在工程當(dāng)中得到了較多的應(yīng)用。電熱防除冰技術(shù)［3-4］，是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱能轉(zhuǎn)移到固壁表面，蒸發(fā)液滴或融化冰層，然后通過飛機(jī)飛行時(shí)的離心力或氣動(dòng)力將液滴或冰移除的防除冰技術(shù)。電熱防除冰系統(tǒng)主要具有3 種功能：（1）蒸發(fā)飛機(jī)表面聚集的液滴；（2）防止撞擊到飛機(jī)表面的過冷水滴發(fā)生凍結(jié)；（3）融化飛機(jī)表面已經(jīng)形成的冰層，破壞冰層與機(jī)體表面的粘附力［5］。本質(zhì)上，電熱防除冰系統(tǒng)就是一套電加熱裝置，這套裝置的核心部分是電發(fā)熱材料。隨著全電飛機(jī)及無人機(jī)等新型航空器的蓬勃發(fā)展，結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、飛行載荷低的電熱防除冰系統(tǒng)越來越受到人們的青睞，對(duì)電發(fā)熱材料的研究也逐漸從傳統(tǒng)金屬類材料發(fā)展到陶瓷類無機(jī)材料。

在實(shí)際電熱防除冰技術(shù)的應(yīng)用中，BUTORA 等人開發(fā)了一種低功耗的電熱防除冰系統(tǒng)（LEDP）［1］，該系統(tǒng)由兩個(gè)加熱單元、電子控制器、儲(chǔ)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(fā)了一種全新的金屬沉積技術(shù)，即把液態(tài)金屬直接噴涂到玻璃纖維織物上形成導(dǎo)電層，再通過持續(xù)的電加熱產(chǎn)生均勻的熱量作用到復(fù)合材料的機(jī)翼前緣［6］。2012年，馬莉婭等人首次在國內(nèi)提出了用碳纖維復(fù)合材料作為電熱防除冰技術(shù)的技術(shù)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(jié)構(gòu)，并通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性［7］。上述系統(tǒng)雖然降低了能耗，但結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生故障。而且，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)使得電熱防除冰系統(tǒng)質(zhì)量增大，這將增大飛機(jī)空重，增大飛行載荷，降低經(jīng)濟(jì)效率。

另一方面，隨著對(duì)碳納米管（CNT）研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)由碳納米管制備的全碳薄膜材料表現(xiàn)出了極低的電阻率和很高的導(dǎo)熱系數(shù)［8-11］，容易實(shí)現(xiàn)性能的設(shè)計(jì)和調(diào)控，而且一般能夠和具有復(fù)雜外形的航空復(fù)合材料結(jié)合在一起，在飛機(jī)電熱防除冰領(lǐng)域表現(xiàn)出了美好的應(yīng)用前景。本文主要介紹了一種基于碳納米管薄膜的結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低的飛機(jī)電熱防除冰系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的電熱特性及融冰性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與樣件制備

1.1.1 碳納米管薄膜的選用及發(fā)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(jī)電熱系統(tǒng)采用四川福萊特科技有限公司提供的FLE-02 型大面積連續(xù)碳納米管柔性薄膜材料（CNTF）作為發(fā)熱薄膜，此型CNTF 由化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制成的。該型CNTF 的電導(dǎo)率約為（3～8）×104S/m，較大的電阻可以保證在相同電流下，產(chǎn)生較大的功率，獲得更多的熱能，有利于進(jìn)行防除冰工作。該型CNTF 厚度僅為10～20 μm，拉伸強(qiáng)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(xiàn)明顯破損，有利于將CNTF 復(fù)合到飛機(jī)機(jī)翼等曲面結(jié)構(gòu)上。同時(shí)，該型CNTF 為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中材料的各項(xiàng)理化指標(biāo)穩(wěn)定。

作為電發(fā)熱材料的CNFT 的形狀設(shè)計(jì)及尺寸如圖1所示。這種“2”字形的發(fā)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(fā)熱薄膜的兩端電阻（4.4 Ω）更高，在滿足通電發(fā)熱的功率要求時(shí)，可以使用較小的系統(tǒng)電流，有利于保護(hù)系統(tǒng)電路中的其他元器件，同時(shí)還能在一定程度上節(jié)約價(jià)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(lián)的方式比較方便地增大發(fā)熱體面積。

圖1 發(fā)熱薄膜的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of heating film

1.1.2 電熱系統(tǒng)的電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整套電熱系統(tǒng)布置在作為飛機(jī)氣動(dòng)承載結(jié)構(gòu)的航空鋁合金蒙皮內(nèi)側(cè)，通電后CNTF 發(fā)熱，熱量通過導(dǎo)熱性能良好的鋁合金蒙皮傳導(dǎo)到飛機(jī)機(jī)體外表面，實(shí)現(xiàn)防除冰功能。為了實(shí)現(xiàn)安全用電并避免在工作時(shí)過多地消耗機(jī)載電能，影響飛機(jī)的工作性能，采用28 V 航空直流電源作為系統(tǒng)電源。根據(jù)某型飛機(jī)《飛行員操作手冊(cè)》的要求，在結(jié)冰條件下持續(xù)運(yùn)行的防除冰系統(tǒng)應(yīng)理想地保持大約38～54 ℃的表面溫度［12］，選擇關(guān)斷溫度為55 ℃的PTC（Positive Temperature Coefficient）常閉串聯(lián)式陶瓷控溫開關(guān)來保證通電后系統(tǒng)中CNTF 的發(fā)熱溫度維持在55 ℃左右。結(jié)構(gòu)方面，為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)承載結(jié)構(gòu)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(nèi)側(cè)的方案，防止電熱系統(tǒng)接通后，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)帶電。為保護(hù)發(fā)熱薄膜材料，設(shè)計(jì)使用一層玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料布對(duì)內(nèi)側(cè)裸露的薄膜材料進(jìn)行粘貼遮蓋。構(gòu)建起的電熱系統(tǒng)的電路與結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電熱系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric heating system

1.1.3 電熱系統(tǒng)的樣件制備

依據(jù)圖2所示的設(shè)計(jì)方案制備的電熱系統(tǒng)樣件見圖3。其中樹脂粘接層所用樹脂由E-44 環(huán)氧基料和650 固化劑按照質(zhì)量比1∶1 的比例均勻調(diào)和制得。采用厚度為1 mm 的LY11 鋁合金板材制作電熱系統(tǒng)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(tǒng)樣件的外觀圖Fig.3 Appearance drawing of electric heating system sample

首先使用無水乙醇對(duì)鋁合金板進(jìn)行清洗，除去其表面的油脂等雜質(zhì)。然后在鋁合金板代表機(jī)體內(nèi)側(cè)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(fēng)條件下預(yù)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(fā)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(fēng)條件下保溫2 h，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電膠（Ausbond，Shenzhen）將銅箔（0.05 mm，99.99wt%Cu）與導(dǎo)線接頭粘接在碳納米管薄膜上，銅箔的尺寸與圖1中的導(dǎo)線連接區(qū)域相同。使用同樣的導(dǎo)電膠將開關(guān)溫度為55 ℃的常閉式PTC溫度開關(guān)粘接在碳納米管薄膜層中部位置，構(gòu)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(huán)氧樹脂涂層的玻璃纖維帶覆蓋在整個(gè)電熱系統(tǒng)上，如圖3所示。最后將上述物料放入烘箱中在60 ℃的無鼓風(fēng)條件下保溫2 h，實(shí)現(xiàn)玻璃纖維帶與環(huán)氧樹脂涂層的完全固化。玻璃纖維帶與環(huán)氧樹脂涂層固化后可對(duì)發(fā)熱薄膜形成保護(hù)。

1.2 分析與測(cè)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(nèi)對(duì)選用的CNTF 進(jìn)行分析來表征其物相。使用FEI Inspect F50 場發(fā)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(tǒng)質(zhì)量稱量

采用YH-A1003 型電子天平對(duì)沒有進(jìn)行電熱防除冰系統(tǒng)鋪設(shè)的空白鋁合金板和電熱防除冰系統(tǒng)樣件進(jìn)行稱量，精度為1 mg。

1.2.3 涂層附著力測(cè)試

采用《ASTM D 3359—2002用膠帶測(cè)試測(cè)量附著力的標(biāo)準(zhǔn)方法》中的劃×法對(duì)在常溫下附著在鋁合金板材上的環(huán)氧樹脂涂層進(jìn)行附著力測(cè)試［13］。將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，然后對(duì)附著力等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)由低到高分為：0A、1A、2A、3A、4A、5A。其中3A～5A級(jí)為可接受等級(jí)。

1.2.4 電發(fā)熱性能測(cè)試

使用同門科技直流穩(wěn)壓電源eTM-305P。該數(shù)字型電源可調(diào)電壓精度為0.01 V，可調(diào)電流精度為1 mA。將電壓設(shè)置為28.00 V，設(shè)置不同大小的電流測(cè)試不同功率下電熱系統(tǒng)的發(fā)熱情況。

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

圖4 測(cè)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(fā)熱體在發(fā)熱過程中的如圖3所示蒙皮外側(cè)的溫度分布情況。拍攝時(shí)將攝像頭置于樣件正上方30 cm處進(jìn)行拍攝。

在由空調(diào)調(diào)節(jié)的20 ℃的環(huán)境溫度中，將飛機(jī)承載結(jié)構(gòu)和防除冰功能一體化復(fù)合材料同外部直流28.00 V 電源連接。打開開關(guān)后，電熱系統(tǒng)開始發(fā)熱，記錄不同電流下電熱系統(tǒng)結(jié)冰一側(cè)的溫度和發(fā)熱時(shí)間。

1.2.5 防除冰性能測(cè)試

使用電子天平稱量不同質(zhì)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(zhì)量的蒸餾水放置于-12 ℃的冰箱冷凍室中凍結(jié)2 h制作測(cè)試所用的不同質(zhì)量的冰塊。在由空調(diào)調(diào)節(jié)的20 ℃的環(huán)境溫度中，將電熱系統(tǒng)樣件同eTM-305P型直流穩(wěn)壓電源連接，設(shè)置電壓為28.00 V。分別用鑷子將不同質(zhì)量的冰塊迅速放置到電熱系統(tǒng)樣件航空鋁合金蒙皮外表面的中心區(qū)域，分別記錄不同質(zhì)量的冰塊在電熱系統(tǒng)不通電條件下的自然融化的時(shí)間，以及不同質(zhì)量的冰塊在系統(tǒng)通電后不同熱流密度條件下的完全融化時(shí)間。

2 結(jié)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(duì)較寬，說明其晶粒細(xì)小、相對(duì)結(jié)晶度較低，是納米級(jí)的混合晶體。對(duì)比石墨的XRD 標(biāo)準(zhǔn)圖譜，二者的2θ值都出現(xiàn)在26°附近，說明CNTF 的成分與石墨成分一致。CNTF 峰值相對(duì)石墨偏左，說明其內(nèi)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(zhì)。

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(nèi)的碳納米管雜亂交錯(cuò)，排列無規(guī)則，但其孔隙率較高。CNTF 的微觀形貌有利于其與環(huán)氧樹脂共固化時(shí)，環(huán)氧樹脂分子充分進(jìn)入碳納米管薄膜，進(jìn)而可提高碳納米管薄膜與樹脂基體的結(jié)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(jí)的雜質(zhì)，分析認(rèn)為，這是通過CVD 法制備碳納米管薄膜時(shí)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(tǒng)質(zhì)量

對(duì)鋁合金板進(jìn)行3次稱量，取平均值得到鋁合金板的質(zhì)量M鋁板=26.413 g。對(duì)電熱防除冰系統(tǒng)樣件進(jìn)行3次稱量，取平均值得到電熱防除冰系統(tǒng)樣件的質(zhì)量M樣件=34.454 g。根據(jù)計(jì)算式M系統(tǒng)=M樣件-M鋁板，得到電熱系統(tǒng)質(zhì)量M系統(tǒng)=8.041 g。

2.3 涂層附著力

常溫下測(cè)試結(jié)果如圖7所示。測(cè)試結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比后，可以認(rèn)為環(huán)氧樹脂涂層在鋁合金板材上的附著力級(jí)別到達(dá)5A 級(jí)，即附著力最強(qiáng)級(jí)別。極強(qiáng)的附著力可以保證電熱系統(tǒng)與鋁合金板材的結(jié)合足夠穩(wěn)定，當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，遇到較大的不穩(wěn)定的氣流產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，飛機(jī)承載結(jié)構(gòu)與防除冰功能一體化材料隨飛機(jī)震動(dòng)而被震動(dòng)時(shí)，電熱系統(tǒng)與鋁合金板材也不會(huì)脫離，可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)防除冰功能。

圖7 附著力測(cè)試結(jié)果Fig.7 Adhesion test results

2.4 電發(fā)熱特性

在不通過PTC 控溫開關(guān)進(jìn)行溫度控制，即接通電路直接加熱時(shí)，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(dǎo)線直接連接在了一起。在此條件下，將電源電壓設(shè)置固定在28.00 V，電流分別 設(shè)置為1.000、1.200、1.400、1.600、1.800、2.000 A，當(dāng)溫度上升速度變得非常緩慢時(shí)，使用HT-102 型紅外熱成像儀對(duì)蒙皮外表面的溫度分布分別進(jìn)行紅外成像拍攝圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 以不同電源參數(shù)直接加熱時(shí)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(shù)下，蒙皮表面的溫度分布都較為均勻。這說明主要發(fā)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(dǎo)體，使得由CNTF 所產(chǎn)生的熱量比較均勻地分布到了電熱系統(tǒng)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(tǒng)達(dá)到良好的防除冰性能。

電熱系統(tǒng)的熱流密度由下列公式計(jì)算：

式中，Q為熱流密度，P為發(fā)熱功，A是鋁合金蒙皮面積，t是加熱時(shí)間。由此可得，電源電壓為28.00 V時(shí)，設(shè)置1.000、1.200、1.400、1.600、1.800、2.000 A電流時(shí)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(guān)進(jìn)行控制時(shí)，得到的不同熱流密度下電熱系統(tǒng)溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。可以看出，在20 ℃的室溫中，電熱系統(tǒng)通電后，蒙皮表面溫度開始迅速上升，達(dá)到一定程度后，溫度上升趨于平緩。當(dāng)熱流密度達(dá)到1 193 W/m2時(shí)，蒙皮表面溫度平衡之后已基本能夠達(dá)到電熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控溫溫度值。隨熱流密度增大，加熱時(shí)溫度上升的速度越快，所能達(dá)到的平衡溫度也越高。因此，在結(jié)冰條件下，通過電源參數(shù)調(diào)節(jié)，蒙皮表面完全可以通過電加熱達(dá)到設(shè)計(jì)的平衡溫度值。

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

按照?qǐng)D4將55 ℃的PTC 控溫開關(guān)接入電路中，進(jìn)行溫度控制。得到存在溫度控制時(shí)不同熱流密度條件下蒙皮表面溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系（圖10）。

圖10 不同熱流密度下控溫加熱時(shí)蒙皮表面溫度與加熱時(shí)間的關(guān)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(dá)控溫值之后是波動(dòng)變化的，熱流密度越低，溫度值波動(dòng)變化的范圍越小，即溫度波動(dòng)幅度越小。這是因?yàn)檩^大的熱流密度使得溫度以較大的速率上升，在溫度剛剛達(dá)到控溫值時(shí)，控溫開關(guān)還未斷開，產(chǎn)生了較多的熱量?？販亻_關(guān)斷開后，這些熱量會(huì)使測(cè)得的發(fā)熱溫度繼續(xù)以較大的幅度上沖。

電熱系統(tǒng)蒙皮表面的平均有效溫度計(jì)算公式為：

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

由式（2）計(jì)算得出熱流密度分別為1 193、1 612、2 145、2 772、3 324 W/m2時(shí)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(shù)值處于38～54 ℃的設(shè)計(jì)發(fā)熱溫度區(qū)間當(dāng)中。由此可以認(rèn)為，在熱流密度足夠大，使得電熱系統(tǒng)蒙皮表面的實(shí)際發(fā)熱溫度達(dá)到55 ℃以上時(shí)，電熱系統(tǒng)的發(fā)熱性能是符合設(shè)計(jì)要求的。

2.5 防除冰性能

不同質(zhì)量的冰塊在電熱系統(tǒng)不通電條件下的自然融化時(shí)間，以及電熱系統(tǒng)通電后不同熱流密度下的完全融化時(shí)間如圖11所示?？梢钥闯?，冰塊在加熱條件下的融化時(shí)間相比不加熱時(shí)的自然融化時(shí)間大大縮短，說明該電熱系統(tǒng)的融冰效果是較為顯著的。當(dāng)冰塊質(zhì)量相同時(shí)，逐漸增加熱流密度，冰塊融化所需的時(shí)間逐漸縮短，且呈一定的線性關(guān)系。當(dāng)熱流密度不變時(shí)，增加冰塊質(zhì)量，扣除電熱系統(tǒng)蒙皮表面從20 ℃上升到平衡溫度的時(shí)間，冰塊融化所需的時(shí)間也基本呈線性增長。而且，隨著熱流密度的增大，電熱系統(tǒng)蒙皮表面從20℃上升到平衡溫度所需的時(shí)間逐漸縮小。上述研究表明，設(shè)計(jì)構(gòu)建的電熱系統(tǒng)在通電發(fā)熱的過程中，其輸出熱量的過程是穩(wěn)定的，輸出熱量的速度與大小主要由不同電源參數(shù)條件下的熱流密度所決定。

圖11 不同質(zhì)量冰塊完全融化時(shí)間Fig.11 Complete melting time of ice cubes with different masses

3 結(jié)論

（1）相較于常見的基于金屬發(fā)熱體電熱系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)構(gòu)建的基于碳納米管薄膜發(fā)熱體的電熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，主要由輕質(zhì)材料組成，可以與飛機(jī)鋁合金蒙皮比較方便地結(jié)合在一起，有利于減小飛機(jī)空重，降低飛行成本。

（2）系統(tǒng)的通電發(fā)熱過程較為穩(wěn)定，在不通過PTC控溫開關(guān)進(jìn)行控制時(shí)，不同熱流密度系統(tǒng)升溫趨勢(shì)都較快達(dá)到平衡溫度并保持，熱流密度達(dá)到1 193 W/m2以上時(shí)，平衡溫度即可達(dá)到55 ℃以上。在通過PTC 控溫開關(guān)控制的實(shí)際電熱過程中獲得的有效平均溫度47 ℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠有效地防止過冷水在機(jī)體表面結(jié)冰或有效地去除已凝固的冰層。

針對(duì)不同的應(yīng)用場景，可以根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算CNTF 發(fā)熱體的尺寸及鋪貼排布形式，以達(dá)到質(zhì)量輕、防除冰效率高的目的，具有良好的應(yīng)用前景。