Влияние металлизизации поверхности многослойных углеродных нанотрубок на рабочие режимы композитных электронагревателей для защиты от обледенения

Повышенное внимание, связанное с развитием северных регионов страны, в том числе Арктики, делает разработку энергоэффективных технологий важной научно-технической задачей. Одним из ключевых направлений исследований по освоению северных регионов страны является развитие арктического материаловедения, которое подразумевает использование новейших подходов в смежных междисциплинарных областях науки, таких как нанотехнология и электротехнология. Разработка электронагревательного композиционного материала на основе кремнийорганического эластомера (полимерная матрица) и металлизированных многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) ‒ проводящего наполнителя, с функцией защиты от обледенения позволяет создать эффективную электротермическую систему борьбы с наледью. В статье представлены результаты исследования электронагревателя на основе проводящего эластичного композита с эффектом саморегулирования температуры. Для модификации кремнийорганического компаунда использованы МУНТ с металлизированной поверхностью, что позволило усилить чувствительность нагревательных элементов к образованию наледи. Снижение температуры окружающей среды, при которой полимерный композит обладает отличающимся значением электрофизических параметров, формирует эффект адаптивного электронагрева относительно температуры окружающей среды. Результаты проведенных исследований имеют важное практическое значение, так как нагревательные элементы могут обладать различным составом и соответственно эксплуатироваться при низких температурах. Нагревательные элементы могут эффективно подстраивать режим нагрева под температурные условия окружающей среды, что позволяет экономить электрическую энергию. Время нагрева, в течение которого происходит таяние льда, составляет 210 с, и динамика изменения значения потребляемого тока коррелирует с температурой окружающей среды, что соответствует эффекту саморегулирования температуры.

1. Коваленко М.С., Сибилева Е.В. Ресурсный состав Арктики, сложности добычи и перспективы ее развития. Арктика XXI век. Гуманитарные науки. 2023; 31(1):26–36. https://doi.org/10.25587/SVFU.2023.44.59.003

2. Бузник В.М., Николаев А.И. Экологические аспекты арктических материалов и технологий. Химия в интересах устойчивого развития. 2022;30(1):29–40. https://doi.org/10.15372/KhUR2022355

3. Шорина Н.С. Проблема обледенения и краткий обзор современных методов борьбы с ним. В кн.: Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Т. 2. Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета; 2010. С. 91–93.

4. Mao H., Lin X., Li Z., et al. Anti-icing system performance prediction using POD and PSO-BP neural networks. Aerospace. 2024;11(6);430. https://doi.org/10.3390/aerospace11060430

5. Xiaofeng G., Qian Y., Haoran Z., Wei D. Integrated composite electrothermal de-icing system based on ultrathin flexible heating film. Applied Thermal Engineering. 2024;236:121723. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121723

6. Peiyi X., Donglai Z., Wei G., Anshou L. Hybrid de-icing method combining electrothermal system and ultrasonic guided waves. Applied Acoustics. 2024; 217: 109804 https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2023.109804

7. Cortés A., Sánchez-Romate X.F., Martinez-Diaz D., et al. Recyclable multifunctional nanocomposites based on carbon nanotube reinforced vitrimers with shape memory and joule heating capabilities. Polymers. 2024;16(3): 388. https://doi.org/10.3390/polym16030388

8. Зуев В.О., Двойнишников С.В., Меледин В.Г. и др. Измерение геометрических параметров наледи методом фазовой триангуляции в ограниченном объеме с преломлением оптических сигналов. Теплофизика и аэромеханика. 2023;30(1):127–132.

9. Deng Y., Liu H., Zhao X., E J., Chen J. Effects of cold start control strategy on cold start performance of the diesel engine based on a comprehensive preheat diesel engine model. Applied Energy. 2018;210:279–287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.093

10. Борукаев Т.А., Гаев Д.С. Физико-механические свойства композитов на основе полиэтилена высокой плотности и технического углерода. Прикладная физика. 2017:(5):76–81.

11. Vertuccio L., Foglia F., Pantani R., et al. Carbon nanotubes and expanded graphite based bulk nanocomposites for de-icing applications. Composites Part B: Engineering. 2021;207. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108583

12. Марков А.В., Гущин В.А., Марков В.А. Термоэлектрические характеристики электропроводящих композитов на основе смесей кристаллизующихся и аморфных полимеров с техническим углеродом. Пластические массы. 2019;(1-2):44–47.

13. Lagrève C., Feller J.F., Linossier I., Levesque G. Poly (butylene terephthalate) / poly (ethylene-co-alkylacrylate) / carbon black conductive composites: Influence of composition and morphology on electrical properties. Polymer Engineering and Science. 2001;41:1124– 1132. https://doi.org/10.1002/pen.108132001

14. Ha J.-H., Chu K., Park S.-H. Electrical properties of the carbon-nanotube composites film under extreme temperature condition. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2019;19(3):1682–1685. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16250

15. Xiaoli W., Yunyi L., Ting Y., et al. The alignment of CNTs perpendicular to electric filed resulted in effective electrothermal de/anti-icing performance at high voltage for CNT/XLPE composites. Composite Structures. 2024;330:117835, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117835.

16. Xiaofeng G., Qian Y., Haoran Z., Wei D. Optimization of power distribution for electrothermal anti-icing systems by differential evolution algorithm. Applied Thermal Engineering. 2023;221:119875. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119875.

17. Jian-Min H., Yin-Fa Y., Yi-Tao S., et al. Positive temperature coefficient material based on silicone rubber/ paraffin/ graphite/ carbon nanotubes for wearable thermal management devices. Chemical Engineering Journal. 2024;493:152427. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152427.

18. Zhi-Xing W., Pei-Yao D., Wen-Jing L. Highly rapid-response electrical heaters based on polymer-infiltrated carbon nanotube networks for battery thermal management at subzero temperatures. Composites Science and Technology.2023;231:109796. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109796.

19. Щегольков А.В., Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф. и др. Электро- и теплофизические свойства кремний-органических эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками и микроразмерными металлическими структурами. Российский химический журнал. 2023;67 (4):48–53. https://doi.org/10.6060/rcj.2023674.9.

20. Щегольков А. В., Щегольков А. В., Земцова Н. В. Аспекты применения электронагревателей с эффектом саморегулирования температуры для систем ИК-нагрева и тепловентиляторов. Вести высших учебных заведений Черноземья. 2022;18(1):25–39. https://doi.org/10.53015/18159958_2022_18_1_25.

21. Щегольков А.В., Щегольков А.В., Чумак М.А. Синтез углеродных нанотрубок с помощью СВЧ излучения для модификации эластомера с улучшенной электро- и теплопроводностью. Перспективные материалы. 2024;(4):54–65. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2024-4-54-65.

22. Горбунова Л.Н., Панова З.Н. Анализ методов и средств борьбы с наледью и сосульками. Вестник КрасГАУ. 2012;71(8):206–209.

23. Бойков А.Г. Температурная характеристика электрического нагревателя в начале нестационарного распространения тепла в шаровом слое. Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2010; 38(19):105–107.

24. Родионов В.В., Мякишев А.М. Обзор применений углеродных нанотрубок в полимерных композиционных материалах. Современные материалы, техника и технологии. 2019;27(6):8–12.

25. Магомедов М.А., Долбин И.В. Оценка степени усиления нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки в рамках микромеханической и перколяционной моделей. Справочник. Инженерный журнал. 2024;328(7):3–7. https://doi.org/10.14489/hb.2024.07.pp.003-007.

26. Атлуханова Л.Б., Долбин И.В. Взаимосвязь свойств и степени дисперсии нанонаполнителя для нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки. Наноиндустрия. 2024;17(1):74–79. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.74.79.

27. Долбин И.В., Давыдова В.В., Кудрова Е.Г. Солодовник С.Г. Определение плотности углеродных нанотрубок. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2024;14(1):11–14.

28. Долбин И.В., Магомедов Г.М., Козлов Г.В. Влияние жесткости полимерной матрицы на эффективность армирования нанокомпозитов углеродными нанотрубками. Известия высших учебных заведений. Физика. 2022;65(12):128–131. https://doi.org/10.17223/00213411/65/12/128.

29. Щегольков А.В., Щегольков А.В. Антиобледенительные системы на основе эластомеров, модифицированных углеродными наноструктурами, с эффектом саморегулирования температуры. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2022;27(1):141–151. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-1-141-151