浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(11): 2546-2554 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.023

材料工程

CFRP自阻加热的通道构型影响电热行为研究

鲍永杰,, 赵清华, 郑植, 马宇薪, 杨宇星,

大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026

Effect of channel configuration on electrothermal behavior of CFRP self-resistance heating

BAO Yongjie,, ZHAO Qinghua, ZHENG Zhi, MA Yuxin, YANG Yuxing,

Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China

通讯作者: 杨宇星，男，副教授. orcid.org/0000-0002-6134-0514. E-mail：yangyuxing@dlmu.edu.cn

收稿日期: 2025-10-11  

基金资助: 国家重点研发计划资助项目（2023YFC2809704）；国家自然科学基金资助项目（52571280, 52301359）.

Received: 2025-10-11  

Fund supported: 国家重点研发计划资助项目（2023YFC2809704）；国家自然科学基金资助项目（52571280,52301359）.

作者简介 About authors

鲍永杰（1980—），男，教授，博导，从事复合材料制造技术研究.orcid.org/0000-0002-8353-3157.E-mail：yongjie@dlmu.edu.cn , E-mail：yongjie@dlmu.edu.cn

摘要

开展碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）自阻加热试验，探究不同通道构型对电热行为的影响. 设计6种电流通道构型分成交叉通道和直通道2个类别，利用热电偶与红外热成像测温方法，研究不同通电策略下CFRP层合板的温度场分布规律与温升特性. 结果表明，交叉通道构型因横向高电阻引发局部过热而表现出温度非均匀性，交叉通道A中心温度达到108.3 ℃，10 mm范围内温差为64 ℃. 直通道构型表现出良好的电热性能，直通道在1.2 A电流下温升速率为11.3 ℃/min，稳态温度为81.7 ℃；双直通道A在2.0 A电流下温升速率提升至12.5 ℃/min，稳态温度达87.6 ℃，温度分布比直通道的更均匀. 直通道构型下当电流从0.8 A增至1.0 A时，电阻增加引发正反馈效应，稳态温度增幅达其余区间的2倍；双直通道构型类似效应的电流区间为1.8~2.0 A. 该结果为CFRP在低温环境下的自阻加热设计提供了试验数据支撑.

关键词： 碳纤维增强复合材料(CFRP) ; 层合结构 ; 电加热 ; 自阻加热 ; 温度均匀性 ; 温升效率

Abstract

Self-resistance heating experiments of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) were conducted to investigate the effects of channel configuration on electrothermal behavior. Six current channel configurations of two types, namely cross-channel and straight-channel, were designed. The temperature distribution and heating characteristics of CFRP laminates under different energization strategies were studied using thermocouples and infrared thermography. The results showed three main findings: First, cross-channel configurations exhibited temperature non-uniformity due to localized overheating caused by transverse high resistance, with the central temperature of cross-channel A reaching 108.3 ℃ and a temperature difference of 64 ℃ within 10 mm. Second, straight-channel configurations demonstrated favorable electro-thermal performance, with a heating rate of 11.3 ℃/min and a steady-state temperature of 81.7 ℃ at 1.2 A. By comparison, double straight-channel A achieved a heating rate of 12.5 ℃/min and a steady-state temperature of 87.6 ℃ at 2.0 A, with relatively uniform temperature distribution. Third, a positive feedback effect induced by resistance increase was observed when the current increased from 0.8 A to 1.0 A in straight-channel configurations, resulting in a steady-state temperature increment twice that of other intervals; a similar effect occurred in double straight-channel configurations within the current range of 1.8 A to 2.0 A. The results provide experimental data to support the design of CFRP self-resistance heating systems for low-temperature applications.

Keywords： carbon fiber reinforced polymer (CFRP) ; laminated structure ; electric heating ; self-resistance heating ; temperature uniformity ; temperature rise efficiency

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本文引用格式

鲍永杰, 赵清华, 郑植, 马宇薪, 杨宇星. CFRP自阻加热的通道构型影响电热行为研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(11): 2546-2554 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.023

BAO Yongjie, ZHAO Qinghua, ZHENG Zhi, MA Yuxin, YANG Yuxing. Effect of channel configuration on electrothermal behavior of CFRP self-resistance heating. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(11): 2546-2554 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.023

面向极端低温环境（−40~−20 ℃）的高效热管理技术已成为极地勘探、军事作业和医疗救援等领域的关键需求. 在此类工况下，如锂电池的电化学储能装置内部离子迁移速率急剧下降，电荷传输动力学显著受阻，可用容量通常衰减至常温条件下的10%，严重制约设备运行性能. 因此，开发兼具快速主动加热功能的轻量化和高可靠材料体系，已成为提升低温环境下设备续航能力与运行稳定性的重要技术方向. 兼具轻质高强和优良导电导热能力的碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）也成为非常热门的加热元件可选材料.

碳纤维增强树脂基复合材料作为新型材料，因具有比强度高、比模量高、比重小、抗疲劳性能好和耐腐蚀性能好等突出优势而受到广泛关注[1]. 此外，碳纤维本身导热性能优异，沿纤维轴向的导热系数可达100~1 000 W/(m·K)[2]，适合需要高效导热的场景. CFRP加热方式包括层间嵌入电缆式外热源加热和非接触式电磁感应内热源加热方法. Huang等[3]开发出具有优异焦耳热效应和机械性能的嵌入式碳纳米管(carbon nano tube, CNT)薄膜玻璃纤维增强复合材料. 内嵌加热元件方式会异质构件，热膨胀系数不同使嵌入元件部分材料结合效果不好，导致性能下降[4]. 为了突破上述原理局限，Shi[5]等提出非接触式电磁感应加热，可均匀加热复合材料或者只加热需要的区域，但掺杂介质易结合不好或变质，且电磁感应难以控制. Gackowski等[6]使用碳纳米管和短碳纤维的悬浮液，采用3D打印导电层技术实现超过200 ℃的可控加热，但存在厚度方向温度梯度问题. Pattarakunnan等[7]研究包含嵌入式软包锂离子聚合物（LiPo）电池的CFRP层压板的温升和散热，表明CFRP基体可通过导热性实现温度调控. Liu等[8]开发出在各种应变下具有稳定电热性能的柔性弹性复合加热器. 然而，不论内外源加热，都存在加热效率低，能耗高，加热均匀性、界面稳定性或工艺复杂性等问题，须进一步优化.

碳纤维树脂基复合材料的电热转化性能优异. 电导率参数为沿纤维方向6×104 S·m−3，垂直纤维方向4.67 S·m−3[9]. 相比于传统的金属电热丝，碳纤维树脂基复合材料的纤维丝阻值受温度影响的改变程度较低，克服了加热不均匀、寿命短和热转换效率低的问题，是较为理想的发热材料. 在复合材料热传递方面，Bai等[10]采用有限元（finite element, FE）构建在Cu基体中添加不同硼含量Cu-B/金刚石复合材料的传热模型，研究铜/金刚石复合材料的传热行为；Lou等[11]基于热流量计法进行导热系数试验，修改了导热系数的数学模型；Farmaka等[12]综述颗粒增强复合材料的传热建模方法，对比分析傅里叶定律、玻尔兹曼方程和分子动力学的适用性. 冯振宇等[13]通过UMATHT/USDFLD子程序建立热响应模型，验证了玻璃纤维/环氧树脂热解行为的调控机制. 马宇薪[14]研究纤维增强树脂基复合材料层合结构的多向传热机制，提出层内热阻的“串-并联”等效计算模型和层间热传递模型，揭示了纤维铺设角度和层厚对传热的影响规律. 张晓军[15]采用分子动力学研究石墨烯/环氧树脂复合材料热输运的微观机理. 骆佳美[16]从热传导微观机理角度阐释材料导热系数的物理本质. Chai等[17]利用Abaqus有限元分析软件建立微尺度传热模型，研究金属复合材料微观传热过程. 在电生热技术研究中，Liu等[18]揭示碳纤维/聚酰胺6层压板的焦耳热特性与解聚行为关联性，发现电流密度与温升呈二次函数关系. Wang等[19]证实自阻电加热(self-resistance electric heating, SRE)可使CF/PA6复合材料能耗降低50%. Xiong等[20]研究石墨烯环氧树脂涂层改性碳纤维的电热效应，通过对表面结构的详细分析和有限元模拟，探究纤维的电热增强机理. Yang等[21]提出碳纤维/形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)热电复合膜结构，实现0.7 A电流下2 s快速形变恢复. 针对不同类型复合材料的电热性能的研究聚焦于电加热特性[22]、电热耦合机制[23]、电热稳定性[24]及电热响应特性[25]等关键科学问题. Peng等[26]实验验证了自阻电加热固化后的多孔传感器能够使复合材料的温度分布均匀. Zhang等[27]分析了加热后时间与温升的关系，功率密度与温升的关系.

使用连续碳纤维树脂基复合材料作为极地电池的外包裹结构，可通过电生热实现良好的加热保温效果. 但碳纤维在不同丝束通电下表现出不同的导热性能，纤维丝束间会因不可避免的接触点搭接导致热量横向传递，造成热量分布不均问题. 在本研究中，此类接触效应将被放大并系统设计为交叉通道构型，探究不同通道构型电生热特性及温度场分布规律. 本研究以连续碳纤维树脂基复合材料为对象，提出不同通道配置的丝束通电自阻加热方法：1）通过设计直通道与交叉通道2种通电构型，研究交叉通道与直通道CFRP自阻加热特性，以及不同厚度CFRP在加载电流作用下的温度响应特性. 2）分析不同加载电流、通电丝束通道下单层与不同厚度样件的温度变化规律，热流传递对传热特性的影响. 3）探究交叉通道因材料本身的各向异性而产生的温度场不均匀和效率低下的内在机理，通过对比直通道，阐明沿纤维轴向通电的固有优势，为极端环境下CFRP热管理装置的通电构型设计提供技术参考.

1. 碳纤维自阻加热试验

1.1. 试验样件

自阻加热试验样件为连续碳纤维树脂基复合材料单层板与不同厚度板，碳纤维为T300型，树脂为E51热固性环氧树脂，单层板与不同厚度板均采用预浸料制备，预浸料性能参数如表1所示. 试验样件通过热压工艺制备，热压固化温度设置为120 ℃，固化时长为2 h. 如图1所示，样件尺寸为100 mm×100 mm碳纤维树脂基复合材料试验件，上下边界设计为锯齿状，锯齿长宽各为10 mm，每个锯齿间隔10 mm. 单层样件热压后厚度为0.125 mm，不同厚度样件分别为2、4和6层铺层方式，均采用单向铺层，样件厚度分别为0.25、0.50和0.75 mm.

表 1   碳纤维环氧树脂预浸料性能参数

Tab.1  Performance parameters of carbon fiber/epoxy resin prepreg

参数数值
碳纤维密度$ {\rho }_{\text{c}} $/(kg·m−3)1750
碳纤维体积分数$ {\varphi }_{\text{f}} $/%64±2
碳纤维导热系数$ {\lambda }_{\text{f}} $/(W·m−1·K−1)7.86
树脂导热系数$ {\lambda }_{\text{m}} $/(W·m−1·K−1)0.255
单层名义厚度$ \delta $/mm0.125

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图 1

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图 1   不同厚度样件及固化模具设计示意图

Fig.1   Schematic diagram of specimens with different thicknesses and curing mold design


1.2. 试验设置

碳纤维自阻加热试验在搭建的复合材料电热试验平台上进行，如图2所示. GPS-2303/C系列的多组输出直流电源供应器作为供电装置，采用K型热电偶（温度范围0~1 300 ℃，分辨率：±0.75% 实测温度）和ST1008多路温度测量仪（分辨率0.1 ℃）记录温度，通过USB数据接口将温度数据实时传输到电脑. 选取试样的中心点及3组对称点作为测温点，K型热电偶放置在试样的温度测量点上，用导热硅脂将热电偶完全包裹，以减小试样表面与热电偶之间的温差. 用99.9%的高纯铜箔（10 mm×10 mm×10 mm）和耐热胶带包裹热电偶，减小环境温度对热电偶的影响. 电极通电接口处，铜片与CFRP样件表面之间均匀涂覆导电硅脂，以填充细小空隙，增强界面热传导并改善电接触的稳定性[28]，利用热成像仪采集试样平面上各点的温度数据，形成红外热像图.

图 2

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图 2   CFRP自阻加热试验方案和通道构型

Fig.2   Experimental setup and channel configurations for CFRP self-resistance heating


为了确保试验结果准确度，通过改变加热参数(电流、层数和通道)进行多次试验，收集数据. 设置6种电流通道配置以观察其热分布均匀性：以有效通电丝束占比10%的直通道和占比20%的双直通道A作为基准，定义有效通电丝束占比为通电丝束的总横截面积与预浸料样件总横截面积的百分比. 为了优化热分布，在维持有效通电丝束占比为10%的前提下，基于直通道衍生出3种交叉通道（A、B和C）作为对比；在维持有效通电丝束占比为20%的前提下，将双直通道B作为对比. 在单层和不同厚度碳纤维增强树脂基固化板上，通过设置不同电流，观察各测温点的温度变化. 电源供电前，先用热电偶测量样件的表面温度，室温下试样的表面温度$ {\theta }_{0} $=25 ℃. 再将试样固定在试验台中间，启动电源，同时开始记录加热时间. 以单层结构为基准，逐次增加至2层、4层和6层，以观察并总结其温度变化规律. 单层碳纤维自阻加热试验参数如表2所示，其中I为加热电极通电电流，分6个试验组编号.

表 2   自阻加热试验单层参数设置

Tab.2  Single-layer parameter settings for self-resistance heating experiments

通道构型I/A
组1组2组3组4组5组6
直通道0.40.60.81.01.21.3
交叉通道A0.10.20.30.40.5—
交叉通道B0.10.20.30.4——
交叉通道C0.10.20.30.4——
双直通道A1.21.41.61.82.02.1
双直通道B1.41.61.82.02.22.3

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2. 纤维自阻加热规律性探究

2.1. 交叉通道与直通道CFRP自阻加热特性对比与机理研究

2.1.1. 交叉通道加热缺陷及机理分析

纤维丝束间由于存在不可避免的接触点搭接，会发生热量横向传递，本研究将此类接触效应放大并系统设计为交叉通道构型，通过研究交叉通道构型的加热缺陷，分析热量在各向异性材料中传递不均的现象并探究其内在机理.

碳纤维增强树脂基复合材料面内显著的导电/导热各向异性是制约其通电自阻加热均匀性的关键因素. 如图3所示，交叉通道的电流路径复杂，要通过高电阻的树脂区域或点接触的纤维节点，存在中心局部过热与巨大温度梯度问题. 为了更好地观察单层碳纤维固化板通电后各交叉通道温度分布以及热流分布缺陷，设计3组交叉通道对比试验，如图4所示. 其中交叉通道A为相邻丝束交叉通电，交叉通道B和C是分别在交叉通道A基础上逐级扩大交叉范围的情况，热电偶测点1~5具体位置见图2（a）. 纤维单向排布复合材料具有明显的导电各向异性，沿纤维方向导电性良好而横向电阻较高，易导致局部过热现象. 通过不同交叉通道电热性能测试发现，各交叉通道的最佳工作电流分别为0.4、0.3和0.3 A. 热成像分析显示，在工作电流为0.4 A时，交叉通道A的中心点温度达108.3 ℃，沿热流方向形成显著温度梯度，由内往外10 mm内温度跨度约为64 ℃，存在明显中心局部过热和较大温差跨度；在工作电流为0.3 A时，交叉通道B第二梯度20 mm范围内温度跨度不超过20 ℃，表现出较好的热流均匀性，但第三梯度10 mm内温度跨度突增至40 ℃，且边界降温明显；交叉通道C在工作电流为0.3 A时，不仅中心区域过热严重，还因电极间距较大出现温度分布不均匀现象. 相比直通道较为均匀的温度分布，交叉通道3个通道均存在中心过热、温度梯度大或边界降温等问题. 上述试验现象探究了交叉通道作为缺陷构型的共性问题：当电流路径偏离纤维轴向时，会不可避免地引发严重的温度不均. 根本原因是CFRP横向热输运电阻大，导致热量在电流路径复杂及电阻较高的区域集中，形成局部过热.

图 3

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图 3   层间导电微观结构示意图

Fig.3   Schematic of interlaminar conductive microstructure


图 4

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图 4   各交叉通道最佳电流温变曲线及温度场分布

Fig.4   Temperature evolution curve and temperature field distribution under optimal current for each cross-channel


2.1.2. 直通道优化性能验证

与交叉通道形成鲜明对比，直通道构型展现了作为优化构型的固有优势：温度分布均匀和温升速率优异. 如图5所示，在不同电流强度下，对比单层样件直通道通电后的温度变化情况. 在基础层单层直通道（有效通电丝束10%）试验中，给定加热电流为0.2 A，工件表面温度无明显变化. 推测原因：1）加热电流过小，产热量不足；2）向空气产生对流散热，无法使工件温度与环境温度（25 ℃）拉开显著差距. 因此，电流为0.2 A不足以实现有效加热. 在电流范围为0.4~1.3 A内，随着电流增大，工件温度迅速上升，温升速率逐渐增加. 加热120 s后，温度趋于稳态，且稳态温度随电流增大而升高. 温度增加是因为产热较高，散热占次要地位，随着试样温度的升高，热对流、热传导和热辐射在内的散热逐渐增加，当产生的热量等于散热量时，试样的温度保持动态平衡，趋于稳态. 由于热电偶测点1~5的趋势相同，选点1作为代表，不同电流下的稳态温度如下：当电流为0.4 ~1.0 A时，点1的稳态温度分别为39.7、49.1、57.6、71.5和79.9 ℃. 通电0~5 min，温升速率分别为2.9、4.8、6.5和9.3 ℃/min. 当电流达到1.2 A时，点1的稳态温度为81.7 ℃，温升速率增至11.34 ℃/min，加热效果显著提升. 由热成像仪图可看出，10 mm跨度下温差均为20 ℃. 试验表明，当电流为1.3 A时，加热至60 s后温度骤降，导致碳纤维预浸料烧坏，失效形态主要表现为树脂基体的热分解，既温度接近或超过树脂基体的玻璃化转变温度时，树脂基体发生软化，导致碳纤维间的接触压力减小，导电网络被破坏，电阻急剧增大，温度快速升高. 在更高温度下，树脂进一步发生热氧化分解，生成挥发性气体，如图6所示. 综上所述，有效电流区间应控制在0.4 ~1.2 A，其中1.2 A为快速达到最高温度的推荐电流值；环氧树脂长期稳定工作建议在110 ℃以内的环境下，短期耐受温度约为120 ℃.

图 5

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图 5   直通道各电流温变规律及热成像仪图

Fig.5   Temperature evolution patterns of straight channel under different currents and thermal images


图 6

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图 6   树脂高温失效图

Fig.6   High-temperature failure diagram of resin


为了研究有效通电丝束百分比对加热效果的影响，将有效通电丝束百分比提升至20%，采用双直通道A和双直通道B通电方式，使用测温点进行温度监测，结果如图7和图8所示. 在直通道通电试验中，1.2 A电流下温度变化效果最佳. 双直通道通电增加了有效通电丝束百分比，厚度和长度不变，宽度增加为2倍，通电体积增大，电阻减小，导致相同电流下的发热量降低，双直通道A从直通道最佳工作电流开始输入. 试验结果表明，双直通道和间隔通道最佳工作电流分别为2.0和2.2 A. 双直通道A温度变化更为均匀，由于横向电阻较高，电流通过较少，热流传递少，双直通道B中心测温点距离电极较远，导致温度过低. 综合分析，在有效通电丝束为20%的条件下，双直通道2.0 A电流可使碳纤维预浸料快速达到较高温度，且温度分布更为均匀，温升速率为12.5 ℃/min，加热效果显著.

图 7

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图 7   双直通道A各电流温变规律及最佳温度场分布

Fig.7   Temperature evolution pattern and optimal temperature field distribution of double straight-channel A under different currents


图 8

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图 8   双直通道B最佳工作电流温变曲线及温度场分布

Fig.8   Temperature evolution curve and temperature field distribution of double straight-channel B under optimal operating current


2.1.3. 直通道各电流区间温升速率对比分析

观察各测温点在电流变化时温度的增缓程度，选取单层各通道通电情况下效果最好，热量分布均匀性最好的直通道与双直通道，绘制变化最显著的测温点不同电流区间温度变化趋势图. 由于5个测温点温度变化一致，选取变化最为明显的和距离通电电极最近的测温点作为代表点进行分析. 其中直通道选取测温点1点作为代表点，双直通道选取测温点2点作为代表点. 碳纤维增强树脂基固化件的电阻随温度升高呈现显著的非线性变化特性，这一现象源于树脂基体热力学行为与碳纤维导电网络的协同作用. 树脂基体与碳纤维的热膨胀系数差异会导致微尺度界面应力重分布. 温度升高时，树脂膨胀速率高于碳纤维，这种各向异性膨胀可能使部分纤维接触点压力减小，同时另一些接触点因应力集中而增强，导致导电网络重构，表现为电阻的非单调变化. 如图9所示，试验数据显示在直通道测温模式下，当驱动电流从0.8 A增至1.0 A时，材料电阻显著增大，温升速率加快，其稳态温度θ增幅达到其余区间的2倍；类似地，双直通道A模式下电流从1.8 A增至2.0 A时，观察到相同的温度突变现象. 表3和表4分别为5组直通道和5组双直通道A的测温点在不同电流下的稳态温度平均值，相邻两行之间的平均值的差值代表稳态温度随电流增大的增幅.

图 9

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图 9   直通道和双直通道A不同电流区间温升速率

Fig.9   Temperature rise rates between straight-channel and double straight-channel A across different current intervals


表 3   直通道测温点在不同电流下的稳态温度

Tab.3  Steady-state temperature at temperature measurement points of straight-channel under different currents

I/Aθ/℃θavg/℃
t=60 st=120 st=180 st=240 st=300 s
0.433.737.940.039.939.738.2
0.641.544.947.447.349.146.0
0.850.053.755.956.557.654.7
1.058.969.071.373.575.569. 6
1.263.776.778.279.480.975.8

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表 4   双直通道A测温点在不同电流下的稳态温度

Tab.4  Steady-state temperature at temperature measurement points of double straight-channel A under different currents

I/Aθ/℃θavg/℃
t=60 st=120 st=180 st=240 st=300 s
1.244.456.559.059.860.055.9
1.449.061.664.865.567.061.6
1.655.666.970.971.172.067.3
1.861.072.676.678.078.673.4
2.070.783.086.086.287.682.7

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2.2. 不同厚度CFRP在加载电流作用下的温度响应特性分析

碳纤维树脂基复合材料的层间结构对于纤维传热具有显著的影响，不同层间结构的碳纤维复合材料可以实现不同的功能，可以通过设计其层间结构来达到想要的高效加热效果. 本研究从标准单层CFRP试验出发，开展不同厚度CFRP试验，探究不同厚度在不同加载电流下的温度变化规律，为极端低温环境下的电池热管理提供技术参考. 选取单层各通道通电情况下效果最好、热量分布均匀性最好的直通道与双直通道A，与标准层单层一致，分别给定加热电流0.2和0.4 A，测量工件的温度值. 发现在加热一段时间之后，工件表面温度值无明显变化，推测加热电流太小，产热量太少不足以使其升温与环境温度（25 ℃）拉开差距. 利用K型热电偶对不同层数下的单、双直通道A的加热特性进行系统分析. 试验结果表明，CFRP的升温行为与层数密切相关. 随着层数增加，热量在厚度方向的传递路径延长，长宽不变，厚度增加，有效通电体积增大，导致整体热阻减小，可施加更高电流已获得更广泛的温增范围. 以2层直通道构型为例：加载电流从温变效应显著的0.6 A开始，逐步增加至1.6 A（本次试验最高电流）；当电流升至1.7 A时，树脂出现失效. 其余层数结构对应的加载电流设置详见表5. 表6列出从表5中各试验组（不同层数与通道）筛选出的最优加载电流，该电流条件下温度变化范围最广，且能达到的最高温度最高. 其中Ibest为最佳通电电流，θs为稳态温度. 如图10和图11所示，直通道通电在1.6 A电流下，双层结构的温升速率达到13.3 ℃/min，较单层结构的11.3 ℃/min提高了17.1%. 双直通道的温升速率趋势与直通道的一致. 与单层结构相比，层数越多的CFRP，其最高可达温度越大，且温升速率随层数增加而加快. 6层CFRP最佳电流通电达到的稳态温度已经能够满足低温电池有效工作所需温度.

表 5   不同厚度试件自阻加热试验参数设置

Tab.5  Parameter settings for self-resistance heating experiments on specimens with different thicknesses

层数通道I/A
组1组2组3组4组5组6
2直通道0.60.81.01.21.41.6
双直通道A1.61.82.02.2——
4直通道1.21.41.61.82.02.2
双直通道A2.22.42.62.8——
6直通道1.41.61.82.02.22.4
双直通道A2.42.62.83.0——

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表 6   不同厚度试件的最佳响应参数

Tab.6  Optimal response parameters of specimens with different thicknesses

层数通道Ibestθs/℃
2直通道1.691.4
双直通道A2.263.1
4直通道2.296.9
双直通道A2.875.4
6直通道2.4103.7
双直通道A3.081.5

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图 10

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图 10   直通道不同层数最佳电流热特性

Fig.10   Thermal characteristics of straight-channel under optimal current with varying layers


图 11

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图 11   双直通道A不同层数最佳电流热特性

Fig.11   Thermal characteristics of double straight-channel A under optimal current with varying layers


鉴于5个测温点的温度变化趋势一致，选取距通电电极最近且温变最显著的点1作为代表性测温点进行分析. 由图12可以看出，对于直通道试样，随着层数从2层增加到6层，达到峰值温度所需的电流从1.6 A增至2.4 A，对应的最高温度也从91.4 ℃显著提升至103.7 ℃，较单层可达到更高温度. 当有效丝束比例提高至20%时，试样的电热性能表现出相似的变化规律. 由于通电面积增大，电阻减小，相同电流下发热量降低，达到相同温度所需的电流明显增大. 6层结构需要3.0 A电流才能达到81.5 ℃的最高温度. 直通道与双直通道A在6层结构下的最高温度差异主要源于二者功率密度与散热条件的不同. 直通道仅10%纤维通电，在2.4 A电流下功率密度更高，产热集中；双直通道A有20%纤维通电，在3.0 A电流下功率密度相对较低，且发热区域分布更广，导致通过对流和辐射散失的热量更多，因此稳态温度较低. 但加热面积增大且热流分布均匀. 不同厚度CFRP结构在实现有效加热功能的同时，其层合构型本身具备作为承载结构的潜力，这为开发结构-功能一体化的复合材料热管理系统提供了重要参考.

图 12

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图 12   不同厚度试件稳态温度随电流的变化趋势

Fig.12   Steady-state temperature versus current for specimens of different thicknesses


3. 结　语

针对传统加热不均匀和热转换效率低的问题，研究碳纤维增强树脂基复合材料在通电自阻加热过程中的电热特性行为，探究不同电流强度、不同电流通道、不同有效通电丝束比例及层间结构对温升特性的影响规律，为极端低温环境下的高效低耗能加热技术提供了试验数据支撑. 1）系统探究交叉通道构型在CFRP自阻加热中的温度场非均匀现象. 由于交叉通道构型的电流路径横向传导，导致显著的局部过热（最高温差达64 ℃）和巨大的温度梯度，分析此类构型不适用于对温度均匀性要求高的应用场景. 2）与直通道的对比，论证了沿纤维轴向设计电流路径是保证加热均匀性与高效性的优选方案. 直通道构型（含单通道与双直通道A）因与材料本征最优导热方向一致，表现出最佳的综和电热性能. 直通道模式1.2 A电流可实现快速升温，温升速率11.3 ℃/min，稳态温度达81.7 ℃. 双直通道模式温升速率提升至12.5 ℃/min，稳态温度达87.6 ℃，相比直通道温度分布更均匀；随结构层数增加优势更为显著，厚度为6层时符合极地电池所需加热与保温温度. 3）CFRP的电阻随温度升高呈正相关变化，这可能是树脂基体与碳纤维的热膨胀系数差异导致的导电网络动态变化. 试验表明，对于单层CFRP，在直通道模式下，电流从0.8 A增至1.0 A时，电阻增加引发正反馈效应，稳态温度增幅达其余区间的2倍；双直通道模式下，1.8 ~2.0 A电流区间同样观察到此现象. 本研究结论仅适用于CFRP薄板层合结构的自阻电加热特性，未研究厚板层合结构下的复杂影响规律，后续计划针对CFRP厚板层合结构开展更深入的自阻加热和传热特性研究.

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