【摘 要】
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自“净零排放”目标提出以来,近年来风力发电产业发展迅速。由于在寒冷地区的大规模安装,风力发电机叶片的结冰是目前其高效运行的主要限制之一。针对这一问题,开发了一种基于CNT/WPU柔性纳米复合膜的具有高可靠性、柔性、轻质等特点的原位除冰加热系统。通过涂布工艺为基的卷对卷制程（Roll-to-Roll,R2R）制备厚度为30～100μm的CNT/WPU复合膜,由于多壁碳纳米管（multiwalled
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自“净零排放”目标提出以来,近年来风力发电产业发展迅速。由于在寒冷地区的大规模安装,风力发电机叶片的结冰是目前其高效运行的主要限制之一。针对这一问题,开发了一种基于CNT/WPU柔性纳米复合膜的具有高可靠性、柔性、轻质等特点的原位除冰加热系统。通过涂布工艺为基的卷对卷制程（Roll-to-Roll,R2R）制备厚度为30～100μm的CNT/WPU复合膜,由于多壁碳纳米管（multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs）填料在水性聚氨酯（waterborne polyurethane,WPU）基体中均匀分布,复合膜具有优异的柔性、强度和伸长率。MWCNTs质量分数为33.3 wt%时,其抗拉强度和杨氏模量分别是纯WPU基体的3.7倍和135倍,这主要归因于MWCNTs在基体中形成的3D网络结构。此外,通过调整填料含量和薄膜厚度,CNT/WPU复合膜的最小电阻率和方阻分别可以达到0.21Ω·cm和20Ω/□,最大平面和纵向热导率分别可达4.92 W/（m·K）和0.31 W/（m·K）。电热膜的发热温度由其综合换热系数和功率密度所决定,功率密度由其外加电压、方阻以及电极间距所决定。通过进一步的绝缘、防水和电极设计,采用180℃,3 MPa热压1 h的工艺实现了电极与CNT/WPU复合膜之间的紧密接触,制备的CNT/WPU柔性纳米复合电热膜具有均匀的温度分布,电极处温度很低,保证了电热膜的可靠性。电热膜具有出色的电热性能,可在-35℃的低温下启动运行,耐受-20℃～+30℃的反复高低温循环,具有20～60℃/min的快速加热和冷却速度。此外,电热膜具有出色的可靠性,可以承受100,000次240°的弯曲,电阻变化率小于3.17%,同时可在长度方向上反复经受2.0%应变的拉伸而不会对其温度分布有任何影响,甚至经受10%应变的拉伸其电热性能也并不会失效。更重要的是装配CNT/WPU柔性纳米复合电热膜的风力发电机展现出优秀的除冰性能,其具有节能、响应速度快、宽电极间距（可达5 m）等优势。在1600 W/m~2的功率密度下,5 min即可实现除冰需求。在实际的高风速和一定的嵌入深度下,电热膜也能保证叶片表面温度高于0℃,实现防冰需求。在对高可靠性有严格要求的各种翼型加热需求中,制备的CNT/WPU柔性纳米复合电热膜具有广阔的应用前景。
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