Carbon based heating elements and their practical applications

Abstract

birkaç on yıl içinde karbon içerikli malzemeler sahip oldukları üstün özellikleri sayesinde çeşitli uygulamalar için çok büyük bir miktarda ilgi görmüştür. Onların arasında, muhteşem fiziksel, mekanik, elektriksel, termal ve kimyasal özellikleriyle karbon fiberler teknoloji harikası malzemelerdir. Özellikle termal ve elektriksel özelliklerinin diğer seçkin karakteristikleriyle birleşmesi karbon fiberlerin etkili bir ısıtma elemanı olarak kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Bu motivasyonla bağlantılı olarak bu çalışmada ana olarak karbon fiber bazlı ısıtma elemanlarının üretilmesi ve onların kumaş bazlı ısıtma elemanı olarak değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda ilk olarak değişen konsantrasyonlarda (0%, 1%, 5%, and 10%) alumina tozları (Al2O3) epoksi bazlı reçineye eklenmiştir. Özel bir sürekli kaplama ekipmanı tasarlanmış ve karbon fiberlerin üzerine Al2O3/epoksi kompozit filmleri depozit etmede kullanılmıştır. Üstün termal özellikleri ve bilhassa ısı tutma kabiliyetinden dolayı alümina ısıtma elemanının ısıtma performansını artırmak için seçilmiştir. Daha sonra kaplanmış karbon fiber örneklerinin yapısal, morfolojik ve termal özellikleri sırasıyla X ışını difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve termal gravimetrik analiz (TGA) yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Ayrıca kaplanmış karbon fiber örneklerinin elektriksel ve ısıtma özellikleri araştırılmış ve bu araştırma sırasıyla bir multimetre ve bir termal kamera ile 60V doğru akım güç kaynağı içeren bir deneysel düzenek kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, ısıtma elemanının termal yaşlanma karakteristikleri servis kullanım ömrünü tahmin etmek için test edilmiştir. Bu araştırma vasıtasıyla tasarlanan ve geliştirilen ısıtma kumaşları proje (1010 STZ 2016) kapsamında Anadolu Isuzu Otomotiv Sanayi ve Ticaret A.Ş.'nin bir midibüsünde düzlemsel ısıtıcılar olarak uygulanmıştır. Projenin bir bölümü olarak kumaşların performansları, proje yöneticisi Doç. Dr. Volkan Kırmacı danışmanlığındaki doktora tezinde değerlendirilmiştir. Son olarak, karşılaştırma amacıyla Al2O3/epoksi film içeren ve içermeyen iki farklı karbon fiber bazlı ısıtma kumaşı, 12V potansiyel altında yüzey ısıtıcısı olarak kullanılması için hazırlanmıştır. Sonuçlar, Al2O3/epoksi filmi ile modifiye edilmiş karbon fiber bazlı ısıtma kumaşının, karbon fiber ile alümina yapısının sinerjistik etkileri sayesinde gelişmiş ısıtma performansı sergilediğini göstermiştir.

Carbonaceous materials have attracted a tremendous amount of attention during the last decades due to their outstanding properties for a variety of applications. Among them, carbon fibers are state of the art materials with excellent physical, mechanical, electrical, thermal and chemical properties. Especially the thermal and electrical properties of carbon fibers combined with other prominent characteristics enable them to be employed as an effective heating element. Regarding to this motivation, in this study, it is mainly aimed to fabricate carbon fiber based heating elements and to evaluate them as fabric based heating elements with heat retention. With this regard, initially, alumina powders (Al2O3) with varying concentrations (0 wt%, 1 wt%, 5 wt%, and 10 wt%) were added in to epoxy based resins. A continuous coating equipment was designed and utilized to deposit Al2O3/epoxy composite films on carbon fibers. Alumina with its superior thermal properties most particularly heat retention abiliy was chosen to increase heating performance of the heating element. After that, structural, morphological and thermal properties of coated carbon fiber samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), and thermal gravimetric analysis (TGA), respectively. Electrical and heating properties of the coated carbon fiber samples were also investigated and this investigation was performed using a multimeter and an experimental setup consisting of a thermal camera and a 60-V DC power supply, respectively. Additionally, thermal aging characteristics of the heating element were tested to estimate the service life-time. Heating fabrics designed and developed by means of this research were applied as plain heaters in a midibus of Anadolu Isuzu Automotive Industry and Trade Inc. (TURKEY) in the scope of the project (1010 STZ 2016). The performances of the fabrics, as a part of the Santez Project, were evaulated in the PhD thesis supervised by Assoc. Prof. Dr. Vollan Kırmacı who is the manager of the project. Finally, two different carbon fiber based heating fabrics for comparison, with and without Al2O3/epoxy film, were prepared to act as plain heaters under 12V potential. The results pointed out that carbon fiber based heating fabric modified by Al2O3/epoxy film exhibited improved heating performance thanks to the synergistic effects between carbon fiber and alumina structure.