文档介绍：中国工程热物理学会学科类别:传热传质学
学术会议论文编号: 123214
填料分布状态对复合材料热导率的影响
王小见1,张立志1,2,裴丽霞国家自然科学基金资助 51076047
(1. 华南理工大学化学与化工学院传热与节能教育部重点实验室,广州,510640)
(,广州,510640)
(Tel:020-87114268,Email: ******@scut.)
摘要
一般通过添加高导热性填料来实现聚合物导热系数的提高。填料分布对材料整体性能的影响很少有人研究。本文通过求解填料与基体之间的二维耦合热传导方程研究了填料的三种分布状态对复合材料热导率的影响。结果表明:球形填料填充的复合材料热导率,随机分布=序化分布≈密集分布;正方形填料填充的复合材料热导率,随机分布=序化分布>密集分布;矩形填料填充的复合材料热导率,序化分布>随机分布>密集分布。
关键词:耦合;热传导;分布
0 引言
常用的工程高分子材料如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等具有绝缘、质轻、耐腐蚀、易成型等优点,现已广泛应用于换热器、电子信息,电子封装等领域。 Wm-1K-1 [1],限制了其在工程上深入的应用。今年来,电子信息技术发展迅速,器件的高密度、集成化趋势日渐明显,同时伴随有更多的热量释放,如不及时将多余的热量散失会对器件造成致命的损害。开发具有高导热性能的复合材料已成为材料学与能源学领域的前沿课题。
提高高分子材料导热性能的方法一般有:控制分子方向[2]和添加高导热填料[3-5]两种。通过控制分子排布方向来实现本证聚合物的制备,需要耗费大量的人力物力,不具有实用性。生产中最常用的方法是添加具有高导热性能的填料到聚合物基体,这种方法工艺简单,原料廉价,同时获得的复合材料具有良好的导热性能。
填充型复合材料的导热性能受到填料分布状态的影响,开展填料分布状态的理论与实验研究非常必要。经典的复合材料热导率推导公式:Maxwell[6]、Russell[7]、Nielsen[8]公式都是在填料随机分布且没有接触的条件下推导出来的,实际导热材料在低填充率下与以上几个公式具有很好的吻合度。随着计算机模拟与实验技术的发展,填料在其它非常规分布状态下的性质也被人们所重视。Sanada[9] 研究了微纳米填料在聚合基体中密集分布的情况,结果表明:纤维状的多壁碳纳米管比微纳米级的氧化铝颗粒对材料
热导率的贡献更加明显。Han[10]研究了电场作用下的氮化硼掺杂硅树脂,结果表明:在电场作用下,氮化硼可以呈现有序分布,氮化硼有序化程度越高复合材料的导热性能越好,直流电比交流电对填料序化的贡献大。这些理论或实验只是研究了单一分布状态下,填料对复合材料导热性能的贡献;没有对常用填料(球形,柱形,片状)在不同分布状态下对复合材料导热性能的影响进行系统的理论分析,更没有指出如何对填料在分布上进行优化设计。
复合材料导热不是一个简单的孤立过程,聚合物基体与填料之间是相互耦合的[11]。本文对常用形状填料在不同分布状态下所表现出的热传导性质进行系统的理论分析。理论分析中,研究对象为:包含多个填料的二维单元模型;计算机自动生成填料的不同分布状态;填料的形状选择常见的:圆形、正方形、矩形。
1 数值研究