文档介绍：南京工业大学
博士学位论文
高导热先进复合材料设计制备及应用技术研究
姓名:陶国良
申请学位级别:博士
专业:化工过程机械
指导教师:涂善东
20060601
摘要
材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域尤其在化工石油机械纺织
冶金航天航空国防等工业部门更为突出腐蚀不仅给社会带来巨大的经济
损失造成灾难性事故和危及人身安全耗竭宝贵的资源和能源污染环境
而且阻碍了高科技的正常发展本文研究的高导热先进复合材料是一种耐苛性
腐蚀介质并具有良好力学性能优良导热功能的新材料可望用于苛性腐蚀
环境下使用的紧凑换热器的制造
本文研究的主要内容有聚合物基导热材料制备技术聚合物基导热材料
的热导率测试技术聚合物基导热材料的逾渗导热模型高导热先进复合材料
的制备技术高导热先进复合材料板翅式换热器的设计与制备工艺技术
高导热先进复合材料是以聚四氟乙烯(PTFE)材料为基体通过导热改性和
采用碳纤维定向增强复合技术制备的一种新材料具备以下特点优良的耐
腐蚀性能使用介质和环境与聚四氟乙烯材料相仿良好的耐热性能使用
温度为 100 250 良好的导热性能和换热效果复合材料的热导率是
聚四氟乙烯热导率 5 倍以上而且在使用过程中不结垢能长期保持热交换能
力优良的综合力学性能和使用寿命先进复合材料的拉伸强度是聚四氟乙
烯材料的 3 5 倍而且没有聚四氟乙烯的冷流现象可以作为结构材料使用
良好的加工性能和成型性能可以进行焊接热压等二次成型为防腐蚀过
程装备的设计和制造提供了经济可行的工艺技术
聚合物基导热材料的研究选用聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE)为基材
高导热性能的石墨铝粉和铜粉作为导热填料进行改性对导热材料的导热和
机械性能的试验证明 PP 为基材时导热填料的粒径含量对材料的导热性
能有明显的影响填料的粒径越小含量越高则改性材料的导热性能越好
如石墨的质量含量由 15 增加到 60 时石墨/PP 改性材料的热导率由 W/
m·K 增加到 / m·K 是纯聚丙烯树脂热导率的十几倍但改性材料
的拉伸强度和冲击强度只有 PP 材料的一半左右综合力学性能下降很多同
样对于石墨/PTFE 改性导热材料石墨的质量含量为 30 时改性材料的热
导率达到 / m·K 当石墨质量含量为 50%时热导率提高到 /(m·K)
是纯 PTFE 树脂热导率的 10 倍以上但改性材料的拉伸强度只有 PTFE 材料的
I
25 左右
尽管添加较多的导热填料能使聚合物获得较好的导热性能但此时导热材
料的综合力学性能较低难以满足结构或工程上的要求基于此采用纤维增强
复合技术来弥补这个缺陷首先考虑长纤维增强技术实验表明对于长玻璃
纤维增强 PP 复合材料纤维长度在 20 30mm 纤维含量在 25 35 之间
复合材料的冲击强度可以提高 3 倍以上拉伸强度提高 2 倍以上对于高导热
耐苛性的先进复合材料研究采用连续碳纤维定向增强复合技术获得很好的
效果如连续碳纤维增强石墨/聚丙烯复合材料石墨含量 50 时碳纤维含量
3 10 时其拉伸强度达到 51 94MPa 连续碳纤维增强石墨/聚四氟乙烯复
合材料石墨含量 30 时碳纤维含量 3 10 时其拉伸强度达到 54
120MPa
为了准确测量复合材料的导热率本文根据热传导准稳态理论与相关单
位合作研制开发出准稳态法导热测试仪能够较快速测量导热材料的热导率
而且工作状态稳定测量范围为 10 W/( m·K) 符合所研究导热材料的预
期设计要求
在大量实验测试的基础上本文对填充型聚合物基导热材料的导热性能和
机理进行研究对各种导热模型进行了分析结果表明目前典型的填充型导
热复合材料的热导率模型如 Eucken, Bruggeman, Cheng-Vocken, Ziebland,
Nielsen Agari 方程等仅仅适用于填料体积含量较低时的复合材料热导率的描
述对于高填充(体积含量大于 30 )时模型预测与实验结果也存在较大的误
差而且填料含量越高误差越大
根据填料的不同体积含量在聚合物基体内的分布特征和几何结构创造性
提出填充型聚合物基导热材料的两相体系海岛网络结构模型并采用逾渗理
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æ λö ë c û
论建立了导热复合材料的逾渗热导率方程λ= λ×ç c ÷
f ç ÷
è λf ø
本文研究的热导率方程与其他模型热导率方程相比具有以下特征
填料的体积含量 V(%)的变化可从 0 1 克服了经典的逾渗理论公式要
求填料体积含量的不足说明填料体积含量变化与复合材料热导率
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