Углеродные нагревательные материалы

В силу географического положения нашей страны погодные условия на большей ее части суровые и характеризуются четкой сменой времен года, а также холодными и продолжительными зимами. В связи с этим остро стоит вопрос о применении в разных отраслях экономики энергоэффективных технологий и новых материалов с определенными востребованными характеристиками.

В закладки

Антиобледенительные системы городской инфраструктуры

В условиях холодного климата каждую зиму становится актуальной проблема снежных заносов и гололедицы. Так, значительная территория России покрывается снегом и льдом, за исключением южных регионов, где в этот период года температура редко падает ниже нуля и количество осадков, как правило, незначительно. Привычный способ борьбы с гололедицей химическими реагентами не всегда и не везде возможен, к тому же он не безопасен с экологической точки зрения и не гарантирует абсолютного результата.

Решить подобную ситуацию позволяют системы антиобледенения и снеготаяния. Дорожное покрытие с функцией подогрева позволяет повысить уровень комфорта и безопасности пешеходного и автомобильного движения. Кроме того, важна и экономическая составляющая: зимой снижаются расходы на уборку снега, весной на дорогах образуется меньше трещин, осенью за счет нагрева обеспечивается быстрое высыхание дороги после дождей. Возможности данной технологии настолько широки, что она находит применение и на других объектах городской инфраструктуры. Существуют разные конструктивные решения реализации систем подогрева дорожного полотна. Наиболее распространенные на сегодняшний день — с использованием теплоносителя либо электрического кабеля.

Системы антиобледенения с успехом применяются в Канаде, США, Скандинавских странах, Исландии, Японии, а в последнее время — и в России. В столице Исландии Рейкьявике практикуется система естественного подогрева тротуаров с помощью горячей воды геотермальных источников, которыми так богато это островное государство. Другие страны, не имеющие горячих источников, вынуждены использовать для обогрева улиц зимой традиционные энергетические ресурсы. Например, на протяжении двадцати лет тротуар одной из центральных улиц Хельсинки подогревается с помощью электричества: даже в самые холодные дни снег, падая на мостовую, тут же превращается в воду и стекает в городскую канализацию. В Японии подогревают улицы во всех городах, где зимой выпадает снег. Интересно, что при этом в Стране восходящего солнца нет централизованного домашнего отопления — за тепло в квартире несет ответственность ее хозяин.

По примеру многих европейских столиц в Москве некоторые тротуары оборудованы подогревом, который обеспечивают проложенные под покрытием трубы горячего водоснабжения.

Довольно много предложений есть на мировом рынке технологий подогрева подъемов и спусков автомобильных дорог (особенно мостов). В зимний период именно эти участки являются наиболее опасными — обледенение служит причиной буксования грузовых автомобилей. Решение этой проблемы с помощью систем подогрева дорожного полотна сократит число аварий и заторов, уменьшит время преодоления автомобилями дорожных затруднений.

Еще в конце прошлого века применение систем обогрева открытых площадей считалось роскошью, сегодня это распространенная практика, позволяющая обезопасить поверхности в холодное время года и избавиться от трудоемких работ по их очистке от льда и снега. Системы антиобледенения и снеготаяния, в основе которых лежат надежные греющие кабели, служат для эффективного противодействия неблагоприятным последствиям осадков, способным нарушить привычный уклад жизни людей, парализовать движение транспорта. Кроме вышеперечисленного такие технические решения используют для предотвращения обледенения взлетно-посадочных полос, центральных площадей, проспектов и улиц, спортивных площадок (включая футбольные газоны), складских и производственных ангаров, наружных лестниц и подъемов зданий.

Серьезное внимание сегодня уделяется созданию комфортной и доступной городской среды, в том числе для маломобильных групп населения. В зимний период, когда происходит обильное выпадение осадков, на пандусах образуются ледяные наросты, которые не позволяют инвалидам комфортно спускаться и подниматься. Поэтому подогрев пандусов, ступеней и подъемов приобретает огромное социальное значение в государственном масштабе.

Все приведенные примеры, несомненно, повышают эффективность, в том числе энергетическую, эксплуатации элементов городской инфраструктуры. Однако использование электричества или водяного контура для обустройства системы подогрева является на сегодняшний день не самым прогрессивным направлением.Необходимо искать новые разработки, альтернативные данным способам. Один из таких перспективных технологических приемов предлагает композитная отрасль — применение в качестве нагреваемого слоя углеродных волокон.

Углеволокнистые материалы

Углерод известен человечеству с древнейших времен. Из всех аллотропных форм углерода наиболее распространены графит и алмаз. Ни один элемент Периодической системы Менделеева не обладает тем разнообразием свойств, иногда прямо противоположных, которые присущи углероду.

Углеродное волокно получают, как правило, термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термообработка происходит в несколько этапов. Первый представляет собой окисление исходного волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате образуются лестничные структуры. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температуре от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600–3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных) для получения углеродных волокон могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода, которые объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Упорядочивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, малым удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Уникальные технические и эксплуатационные свойства углеродных волокон позволяют получить на их основе материалы (например, углеткани, препреги, углеродные ленты или рукава), обладающие рядом характеристик, привлекательных для многих отраслей промышленности и экономики.

Углеродная ткань является материалом, состоящим из чрезвычайно прочных и легких волокон армированного полимера. Обычно для производства углеткани используется полимер, состоящий на 90 % из углерода, смешанного с 10 % различных добавок. Удельное электрическое сопротивление углеродных материалов составляет от 7 до 100 мкОм∙м: минимальные значения имеют графитированные материалы, а максимальные — обожженные. Электропроводность углеродных материалов анизотропна: в материалах, полученных прессованием, она выше в направлении, перпендикулярном направлению приложенной силы. Коэффициент анизотропии колеблется в пределах от 1,2 до 2,0 и увеличивается с уменьшением дисперсности частиц углеродистого вещества. В поликристаллических углеродных материалах общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллов и электропроводностью аморфного углерода. Поэтому у многих углеродных материалов экстремальная зависимость электропроводности от температуры изменяется следующим образом: электропроводность аморфного углерода с увеличением температуры падает, а кристаллического — растет.

Существует минимум температурной зависимости сопротивления, его положение смещается в область более низких температур при совершенствовании кристаллической структуры образца. Например, для обожженных материалов до 2000 °С удельное сопротивление уменьшается. Такая же зависимость сохраняется и для графитированных материалов до 400–600 °С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к обратному эффекту.

Нужно заметить, что электропроводность углеродных волокон в три раза выше, чем аналогичный показатель одного из лучших проводников — меди. Изменяя условия термообработки, можно получить углеволокна с различными электрофизическими свойствами и использовать их при изготовлении тканых нагревателей, неметаллических электронагревательных проводов, нагревательных элементов инфракрасного диапазона, текстильных изделий с электроподогревом и т.д.

Применение углеродных волокнистых материалов в качестве нагревательных элементов позволяет:

• широко варьировать электрические характеристики за счет дополнительных технологических приемов;

• получать нагревательные элементы большой площади с равномерным распределением температуры по поверхности;

• получать нагревательные элементы, обладающие высоким показателем теплоотдачи;

• гарантировать надежное функционирование элементов в течение 30 лет и более;

• обеспечивать экологическую чистоту изделий.

Варианты применения углеволокнистых нагревательных полотен

Обогрев открытых дворовых территорий

Зимой при въезде в гараж, подземный паркинг или на открытую парковку колеса автотранспорта моментально уплотняют снег. В результате образуется скользкая наледь, гладкая площадка становится бугристой, что усложняет маневрирование и повышает вероятность аварийных ситуаций и травмоопасность. Обогрев открытых участков с помощью углеродной ткани позволяет равномерно очистить площадку от снега и льда. Не менее эффективно использование углеволокнистых полотен для обогрева тротуаров и уличных ступеней взамен дорогостоящих систем электрического и водяного отопления. Кроме того, применение этой технологии является хорошей альтернативой уборке территорий ручным способом (например, механическому скалыванию льда, при котором портится покрытие), а также использованию химически активных технической соли и других реагентов.

Обогрев помещений

Применение углеродной ткани для обогрева помещений основано на свойствах инфракрасного излучения. В отличие от других источников тепла, ткань после подачи на нее напряжения в силу своих низкотемпературных и высокопроводящих свойств начинает отдавать тепло примерно через 30 секунд, что делает ее оптимальным решением для «интеллектуального» обогрева домов. Углеродная нагревательная ткань предназначена для использования в напольных покрытиях, стенах и потолках. Этот материал прост в применении и не требует технического обслуживания. Он тонок и неинвазивен, и поэтому может быть встроен в исходные отделочные материалы (обои, линолеум, потолочное покрытие или гипсокартон) для создания эффективной системы нагревателей.

Текстильные изделия из углеволокна

Как уже было сказано выше, углеродные материалы нашли применение и в производстве «греющей» одежды. Текстильные изделия с инфракрасным нагревом изготавливаются с использованием углеродных перфорированных пленок, комбинированных тканей с электрическим питанием от аккумуляторных батарей(безопасным напряжением 7–12 В) размером не больше сигаретной пачки. Спектр выпускаемой продукции достаточно широк: верхняя одежда для работы в условиях Крайнего Севера, для нужд армии и МЧС, для зимнего альпинизма, а также повседневного ношения в холодное время года. Углеродные нагревательные элементы используются также при производстве грелок, ковриков, накидок, матрацев, одеял, спальных мешков и мягкой мебели.

Как видим, применение нагревательной углеродной ткани весьма разнообразно, эффективно и может позволить решать задачи экономии ресурсов при строительстве и эксплуатации объектов, а также создавать комфортные условия городской среды и повседневного быта. Поэтому хотелось бы расширить границы и ускорить темпы применения таких инновационных высокотехнологичных и экономичных материалов.

Публикуется с согласия автора А. С. Волкова, руководителя направления промышленных трубопроводов ООО «Нанотехнологический центр композитов»

{ "author_name": "Эдуард Прытков", "author_type": "self", "tags": [], "comments": 0, "likes": 0, "favorites": 3, "is_advertisement": false, "subsite_label": "tech", "id": 123400, "is_wide": false, "is_ugc": true, "date": "Mon, 27 Apr 2020 15:40:08 +0300", "is_special": false }
Мегаплан
Не успокаивайте(сь): почему не нужно «нянчиться» с сотрудниками на удаленной работе
С введением режима самоизоляции все вокруг принялись успокаивать оказавшихся взаперти сотрудников. Но удаленная работа…
Объявление на vc.ru
0
Комментариев нет
Популярные
По порядку

Прямой эфир