《一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型 2008.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型 2008.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、现代塑料加工应用年第。卷 第期一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型梁基照邱玉琳华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州,摘要基 于最小热阻力法则和 比等效导热系数法则,建立一新的颗粒填充聚合物复合材料的导热模型并导 出等效导热系数公式应用该公式估算了酚醛树脂铝粉和酚醛树脂石墨复合材料的等效导热系数,并与试验测量数据比较。结果表明,导热系数的理论预测值和试验数据相当接近。关键词酚醛树脂复合材料导热模型导热系数,导热高分子材料 由于具有较好的导热能力和优异 的耐化学腐蚀、较高的耐 温性能,因而在现代工业及高新技术中的应用日益广泛。例如,以聚丙烯石墨复合材料、氟塑料石 墨复合材料等材料生产的换热设
2、备在使用过程中取得 了巨大的经济效 益和社 会 效 益一。在 电气电子领域 由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路 的体积迅 速缩小,更需要高导热性 的绝缘材 料际。因此,在过 去 的几 十年里,国内外学者对高分子复合导热材料展开 了系统的理论和应 用 研究。绝大多数 高分子材料属于低导热率材料,故常用 的方法是通过共混在聚合物中加人高导热率的填料,以获得高导热复合材料。一般说来,这种复合材料的热传递 十分复杂,研究其导热机理和建立预测导热性能有理论和实际意义。等效导热系数是表征材料导热性能的重要参数,已提出过一些预测导热系数数学模型,如一模型、模型、模型、模型一。等。最近,和应
3、 用傅立叶定 律 分别建立 了中空和实心无 机粒子填充 聚合物复合材料导热模型,并用有限元软件对其传热过程进行 了模拟并计算出等效导热系数一。下面将在先前工作的基础上,推导新 的颗粒填充聚合物复合材料 的导热系数方程,并引用文献发表的酚醛树脂 铝 粉 和酚醛树脂石墨收稿日期一一修改稿收到日期一一。作者简介 梁基照,男,教授,博士生导师。主要从事聚合物复合材料与机 械装备方面的 研究。一,。现代塑料加工应用年月复合材料实测数据对该方程进行初步的验证。导热模型为的实心球体。根据傅里叶定律,以及参照文献,所采用 的方法,可求得颗粒填充 聚合物复合材料等效导热系数公式为姿。导热聚合物复合材料的导热系数
4、由聚合物和填料颗粒综合作用决定。假设填料粒子在聚合物基体中均匀分布,可将整个复合材料视为无数个包裹着填料粒子的导热单元构成。根据傅立叶定律热量在导热单元中的传递途径是 聚合物界面填料粒 子、聚合物混合界 面一聚合物界面,如图所 示。根据 最小热阻 力法则习和比等效导热系数法则,只要复合材料的单元体与总体有相等的比等效热阻,不论单元体的尺度大小,在只考虑热传导时,这种单元体与总体的等效传热系数相等。以上述法则为基础,用均匀化方法刁建立简化数学模型。复合材料等效导热系数的计算,归结为具有相 同比等效热阻的单元体的等效导热系数的计算。现将整块复合材料看成是由大量中心包 含一个球形填充 颗粒的正方体导
5、热单元 组成。在先前的工作中 笔者几用相同原理建立了聚合物颗粒填 充复合材料的串联与并联模型,并提 出相应的导热公式。普赘了式 中。聚合物复合材料导热系数。聚合物导热系数颗粒填料粒子导热系数协复合材 料 中填料 粒子体积分数。一模型仁 二是预测 聚合物颗粒填充复合材料导热系数的常用 理论模型。该模型简单表征了匀质球体分散在均一基体 中形成的复合材料的热传导性。在体系填充量不高时,该模型能很好地 预测其热传导性。导热系数的数学表达式如下。笋一。一咖一。试验部分沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈沈石石石石石石石一一一一一久久久久久卜卜卜卜卜卜卜卜气气气气气二二二二图颗粒填充聚合物复合材料传热简化模型注图
6、中为正方体边长,为粒子半径,为单元高度,为高度增量,尺书说明见正文中。根据热传导与电传导 的相似性,导热单元总热 阻 由填充颗粒 与中间段 聚合物的并联热阻,与两端聚合物的热阻串联 加和构 成,如 图所示。对应 图,和代表上下部分树脂的热阻,尺代表中间部 分树脂的热阻,是中间部分颗粒 的热阻。热流 从正方体顶 面进 人,正方体边 长 为,将颗粒 填充物视 为粒子直径仪器及方法试验采用的导热系数测定仪是 由华南理工大学工业装备与控制工程学院精密仪器实验 室设计的一型导热系数测定仪,一般情况 下其测量误差范围不超过士。稳态平板导热 系数测定仪的测量原理是傅立叶定律,即固体在热传导过程中,单位时间内
7、通过 固定截面 的热量,与该截面的面积和垂直与该截面方向的温度梯 度成正 比。运用 稳 态 平板 导热 系数测定仪在,个测试温度下测定了铝粉填充酚醛树脂复合材料和石墨填充酚醛树脂复合材 料的导热系数。材料物理性能酚醛 树 脂,密 度导热系数一铝粉,密度,平均粒子半径拼,导热系数石墨,密度,平均粒子半径拼,导热 系数。梁基照等一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型结果与讨论分接近,尤其是当填料体积分数少于的情况下。丫吕县乙粼瞒臻即测试 结果试验结果分别列于表和表中。在测试 过程中,相关参数是在平衡状态下测取的,导热系数的值是单位厚度的热功,故试样厚度的影响甚微。表酚醛树脂 铝粉复合导热材料导热系
8、数铝粉质量分数,试样壁厚导热系数压犷丁铝粉体积分数,图酚醛树脂 铝粉导热系数与铝粉含的关系八八勺乙一吕县弓弓色戴睽录岭表酚醛树脂石墨复合导热材料导热系数石墨体积分数,铝粉质量分数,试样壁厚导热系数一二飞图酚醛树脂石墨导热系数与石墨含的关系与一模型理论预测值比较将种复合材料的物理参数代人式中,估算出复合材料的导 热 系数,并与实测值和式的预测值比较,结果分别示于图和图。卜瑞毛蟹、岁多夕猛省一一工曰一吕色粼哄豪即初步试验验证将酚醛树脂及铝粉的物理 及传热性 能参数代人式,可估算出相应填料体积分数的酚醛树脂铝粉复合材料的导热系数,并与表的实测值进行比较,结果如图所示。其中,体积分数笋与质量分数二之
9、间 的关系 可由下式 描述”刁铝粉体积分数,必一二一图酚醛树脂 铝粉 复合材料导热系数预 测值与试验值比较式中,一迎,为颗粒填料 密度,。为聚合物基体密度。将酚醛树脂及石墨的物理及传热性能参数代人式,可估算出相应填料体积 分数 的酚醛树脂 铝粉复合材料 的导热 系数,并 与表的实测值进行比较,结 果如图所示。从 图和图中可以看出,酚醛树脂 铝粉、酚醛树脂石 墨复合材料 的导热系数实测值均随填料含量 的增加而增加,且与式的预测值十乏霭。靡石墨体积分数,图酚醛树脂石墨复合材料导热系数预 测值 与试验值比较现代塑料加工应用年月一从图和 图中可以看出,应用模型理论预测种复合材料导热系数均低于实测值和式
10、的预测值。式预测值与试验值的最大相对误差约为,而模型预 测值与试验值的最大误差约为。换言之,式预测值比一模型预测值更为接近试验值,从而初步验证 了本导热系数方程 的正确性。讨论从 图和图中可以看出,当填料体积分数较高时,两者之间 的差 距较 为 明显。这 可能是因为铝粉含量较高,易于在基体内发生 团聚,分布不够均匀,测量数据随之波动,而公式是 基于填料粒子在 聚合物中均匀分散前提下推导的,从而导致两者之 间的偏差趋于 明显,这也在一定程度上符合。等人仁关于填料含量增加,填料在基体内聚集可能性也增加,均匀分布理论模型与实际情况 的差距也随之增加的观点。当测试 温度升高时,试验测定的复合材料导热系
11、数也随之有所增加,这 可能是温度升高加速了分子运动,进而提高了复合材料 的导热率。对于其他测试 温度,实测值基本分布在式预测曲线附近。此外,一模型 预测曲线与试验值较为接近,也反应了复合材料导热系数与铝粉体积分数的关系。此外,石 墨为非金属无 机填料,铝粉为金 属填料,所填充的酚醛树脂复合材料的导热系数试验测量值与理论计算值均较为吻合。从 而验证了所建导热模型与实际导热过程较为相似,也验证 了公式较为符合实际,尤其适用于填料体积分数不 太高的情况。热系数的理论估算值和实测值较为接近。参考文献潘能升,李宾,戴干策石墨填 充的导热模型检验与改进塑料工业,一行孙爱芳,刘敏珊,董其伍石 墨复合材料导热
12、性能的数值模拟材料科学与工程学报。们。一一一邑,一结论应用 金 属粉粒和一 些 无 机 粒 子填 充 聚合物,可以制备出导热性能良好的聚合物复合材料。应用最 小 热 阻力法 则和比等效导热系数法则,建立一新 的颗粒填充聚合物复合材料 的导热模型并导 出等效导热系数公式。应用该公式颗粒填充 聚合物复合材料等效导热系数公式,预测 了酚醛 铝粉和酚醛树脂石墨复合材料 的导热系数,并 与试 验 测 量数据进行比较。结果 表 明,种 复合体系等效导王春芬,虞斌涂善东 聚四氟乙烯及其改性复合材料在换热器中的运用化工 石油设备,一马传国容敏智,章明秋 聚合物材料导热模型及其运用宇航材料,一一一一、,一,一一,一,一,一一,一、一一一,一,一一一一一,一一一一一一一,、一一,一梁基照,刘冠生无机粒子填充聚合物复合材料传热模型及有限元模拟 特种橡胶制品,。,一梁满兵填充型导热塑料强化导热性能机 理 的 研究学 位论文广东 华南理工大学。汪雷 材料与结构的传热性能优化设计学位论 文西安西 北工业大学,一一一一一、下、,一,王一,