电加热服装可以为工作、生活在低温环境下的人们提供热量,降低人们的冻伤风险,且局部加热能够对身体易受寒部位进行保暖,而加热元件是电热服装很重要的组成部分。基于此,本文对碳纤维丝、集成碳纤维丝的加热片与加热服装的热性能(包括电阻、升温速率、表面温度均匀性、平衡温度等指标)进行了系统的测试。进一步在多层织物热传递理论的基础上,用ANSYS软件对电热服中嵌入加热片的织物组合体建立简化的三维模型,进行稳态传热模拟,研究有内热源时织物组合体内部和表面的温度场分布特征,从而为冬季电加热服装的设计优化提供参考。本文首先研究了碳纤维丝的电阻稳定性、最大负载电流、电热升温性及功率消耗与平衡温度之间的关系。实验选用10 cm长的12 K碳纤维丝,实验结果显示:碳纤维长丝的电阻变化率受电压、环境温度影响较小;升温速率快;且碳纤维长丝的功率消耗和平衡温度呈高度正向线性相关,决定系数(R~2)为0.977。然后将3束碳纤维丝并联制备了碳纤维加热片,制备的加热片的平衡温度和加热功率密切相关,在5 V负载电压下,加热片的平衡温度达到45.1℃;红外温度图像显示加热片温度均匀性较好。最后将加热片、加热电路集成到制作的服装主体上,对加热服装进行功率测试,结果显示了加热片的功率、环境温度,服装的合体度等会影响电热服加热效果。功率不同时,电热服相同部位对应的温度差异较大,功率越大则温度越高;加热片功率为4.08 W时,背部温度最高,为34.3℃,其次为胸部、腰部、腹部。因此要想使加热服装达到更好的加热效果,需制作更加符合人体曲线的服装。为了探究加热片产生的热量在电热服中如何传递,用ANSYS软件建立电热服中嵌入加热片的织物组合体三维模型,在不同条件下对不同模型进行数值模拟,来获取模型的温度场分布,模拟结果显示:外界环境温度越低,加热片功率输出相同时,加热片所能达到的温度越低,这与实验测试结果相一致,可根据穿着环境,合理选择加热片的输出功率。加热区域呈纵向条纹的加热片与均匀恒温加热片模拟结果对比可知,通过分散加热片的发热区域,能够提高热量沿模型平面的传热量,节省加热材料,可以根据发热量合理优化发热区域的间隔距离,并控制间隔区域的温度分布。增大模型中加热片与上层织物之间空气层的厚度,空气层厚度越大,模型表面温度越低;当空气层厚度较大时,进一步考虑空气层内复合传热情况,可通过修正空气的等效导热系数来实现模拟,增大空气的等效导热系数,热量在模型中传递距离有所增大。