石墨和炭纤维分别改性热塑性聚酰亚胺复合材料的导热行为

采用石墨、 炭纤维填充改善热塑性聚酰亚胺(TPI)材料的导热性能, 研究了填料物性对材料力学性能和导热行为的影响。在此基础上, 用Nielsen理论模型和有限元方法模拟了复合材料的导热行为, 进一步探讨了填料形状对材料导热系数的影响。研究表明: 炭纤维、 石墨填充TPI均能提高复合材料的导热性能; 用Nielsen理论模型预测石墨、 炭纤维填充TPI材料导热系数与实验值存在一定偏差; 采用有限元法模拟二维复合材料稳态导热行为, 能有效地预测复合材料的导热系数。基于材料内部热流分布模拟分析发现, 填料自身导热性能对复合材料导热行为的影响不明显; 与圆形填料相比, 方形填料改善材料导热性能效果显著。      

AlN/橡胶复合材料等效热导率数值计算

利用计算机生成不同的AlN/橡胶复合材料等效结构单元,基于三维格子玻尔兹曼模型计算了复合材料的等效热导率。实验制备了AlN/橡胶复合材料,并测定了不同填充量下复合材料的热导率,用以验证模型的有效性。将LBM计算结果与实验结果及Maxwell、Bruggeman、Nielsen等模型进行了比较,发现本文数值计算结果与Maxwell模型吻合较好,相比较于Bruggeman模型与Nielsen模型更加接近实验值。研究了AlN颗粒尺寸及分布方式对复合材料导热性能的影响。结果表明,一定体积分数范围内,粒径较小的AlN颗粒填充橡胶复合材料的等效热导率较大,当体积分数增大到20%,粒径较大的复合材料内先开始形成导热网络,大大提高了热导率;随机分布比均匀分布方式下的复合材料的等效热导率大,不同的粒子空间分布结构是影响复合材料热导率的关键因素。     

碳纳米管/橡胶复合材料导热性能研究进展

导热橡胶在航空、航天、电子、电器领域有着广泛的应用前景。把碳纳米管填充到橡胶中,渴望获得具有优良导热性能的橡胶复合材料已成为材料领域研究的热点。本文综述了填充型导热橡胶的实验研究现状、导热橡胶的导热机理、导热模型;重点论述了碳纳米管的结构与改性、碳纳米管填充橡胶的导热性能的实验研究及理论研究进展;最后指出碳纳米管的独特结构和优异性能使其作为橡胶复合材料导热增强组分在理论上具有明显优势,但其复合材料的热物性研究仍存在一些问题有待解决;如何降低界面热阻、增加碳纳米管取向等将是提高碳纳米管/橡胶复合材料导热性能的重要解决途径。     

填充颗粒导热性对复合材料导热性能的影响

基于ANSYS Workbench稳态热分析模块,利用均匀化方法,研究了填充颗粒导热性对填充型复合材料导热性能的影响。结果表明,依靠增大填充颗粒导热系数来提高复合材料整体的导热性能有一定局限性,填料导热系数与基体材料导热系数之比存在一个临界值。在相同体积分数下,随着比值的增大复合材料导热系数增加,当达到临界值后继续增大比值复合材料的导热系数基本不变。不同形状的填充颗粒有不同的临界值,圆柱形颗粒的临界值略大于正方体形和球形,而且对于同一种形状的填充颗粒,随着填充分数的增大临界值略有增加。     

粒子填充聚合物基复合材料导热性能的数值模拟

根据电镜照片中观察的微观结构信息,基于两套新设计的算法建立了代表体积元(RVE)模型,基于此模型研究了粒子填充聚合物基复合材料的导热性能与微观结构的关系。通过对电镜照片的处理得到两个参数即稀疏区比重和稀疏区半径,建立了与实际体系相符的具有非均匀粒子分布结构的 RVE模型。制备了氧化铝/高温硫化硅橡胶导热复合材料,并测试了不同填充量下体系的热导率,用以验证模型的有效性。采用有限元方法求解RVE模型得到的热导率预测值与实验值进行对比,结果表明：填料用量在宽范围内预测结果与实验值均吻合很好; 与均匀分布或随机分布相比,存在稀疏区和富集区的非均匀分布的体系具有更高的热导率,这种差异在高填充量下当颗粒间形成导热网链时更为显著;在相同填充量下,不同的粒子空间分布结构可使体系热导率差别很大,是影响体系热导率的关键因素。     

氮化铝填充三元乙丙橡胶复合材料的导热性能

采用随机顺序添加算法(RSA),应用均匀化理论建立了三维代表体积单元(RVE)模型,数值研究了氮化铝均匀分布与随机分布下三元乙丙橡胶复合材料的导热性能。制备了氮化铝(AlN)/三元乙丙橡胶复合材料,并测试了不同填充量下体系的热导率。将数值模拟得到的热导率与实验结果及理论模型进行对比,结果发现,随着氮化铝填充量的增加,导热网链的形成更加容易,复合材料的热导率随之逐步增大;在相同体积分数下,实验测量值最大;均匀分布时的数值结果与Maxwell模型及Hamilton-Crosser模型结果基本一致;填充粒子在基体中的随机性分布会导致热导率的波动,其平均值要高于均匀分布模拟值;随机分布模型模拟结果更贴近实验测量值,可以用来更好地预测球形颗粒填充复合材料的导热性能。     

导热高分子材料研究进展

讨论了提高聚合物导热性能的途径－合成高导热系数的结构聚合物，用高导热无机填料对聚合物进行填充复合。综述了导热高分子材料的研究成果：聚合物导热的基本概念和影响其导热性能的因素及导热系数的预测理论；聚合物基导热复合材料的选材、复合技术及其应用。指出了导热高分子材料的研究方向－－纳米导热填料的研究和开发；聚合物树脂基体的物理化学改性；聚合物基体与导热填料复合新技术的研究和开发；复合材料导热模型的建立、导热机理（特别是聚合物基体与导热填料界面的结构与性能对材料导热性能的影响）及导热通路的形成等；探索高导热本体聚合物材料的制备方法和途径等。对导热高分子材料的研究和开发有重要意义。     

介电陶瓷/导热硅橡胶复合材料的制备及介电性能研究

针对单一导热填料在高填充量下也无法同时提高硅橡胶介电、导热性能的问题,采用介电陶瓷钛酸锶(ST)、导热填料氮化硅(Si_3N_4)复合填充制备了Si_3N_4/ST/硅橡胶复合材料,研究了复合材料的介电和导热性能。采用LCR频谱分析仪和导热系数测试仪分别测试复合材料的介电常数和导热系数。结果表明:Si_3N_4与ST的共同填充提高了复合材料的介电性能和导热系数;Si_3N_4填充量为15%(体积分数,下同)时,Si_3N_4/硅橡胶复合材料的介电常数达到最大值5.4F/m;在Si_3N_4填充量保持不变、ST填充量为20%时,复合材料介电常数为纯硅橡胶介电常数的2.3倍,介电损耗保持在0.05以下,导热系数是纯硅橡胶的3倍。     

具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料研究进展

热界面材料可以有效地将高温电子器件的热量快速传递到热管理元件,以缓解电子器件过热而导致的元件寿命恶化的问题。近年来,由聚合物和高导热填料制成的聚合物基复合材料因其密度低、导热性能可调而受到广泛关注。不同于传统的填料随机分散的复合材料,在聚合物基体中构建三维连续网络结构可以显著增加填料/填料接触、降低导热渗透阈值和界面热阻,显著改善复合材料的导热性能。首先,简要分析了聚合物基导热复合材料的导热机制。其次,总结了具有连续网络结构的聚合物基导热复合材料的构筑工艺,主要包括基于三维导热填料网络的预构筑、基于聚合物颗粒/粉末的后加工、基于聚合物纤维/织物的后加工、基于聚合物胶乳的铸膜或絮凝等工艺。再次,系统总结了不同类型的导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响,主要包括金属填料、陶瓷填料、碳基填料及其混杂填料等。最后,对具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料的发展前景进行了展望。     

氮化硼填充导热绝缘复合材料的研究进展

近来,通过添加导热填料制备高导热绝缘聚合物基复合材料成为学者们研究的热点。文中综述了以氮化硼(BN)为填料的导热塑料、导热橡胶的研究现状。发现对无机填料进行表面处理,可以提高基体与填料间的相容性,减小两者间的热传导阻力;采用多模式的填料以适当的比例混杂填充聚合物基体,可以使填料间接触面积增大,从而有效提高聚合物基体的热导率。文中还简述了填充型导热复合材料的导热机理和典型理论模型,并提出了提高复合材料导热性的关键所在。     

单向纤维复合材料导热性预测

本文利用均匀化方法预测复合材料导热性。采用这一方法给出了单向纤维复合材料沿纤维方向的导热性表达式;将该方法与有限元技术结合得到了在垂直于纤维方向上复合材料导热性数值形式的预测结果。根据这些结果我们用曲线形式给出了材料导热性同各组分体分比间的关系,分析了体分比、纤维截面形状和分布方式、纤维和基体间的相对导热系数等因素对材料整体导热性影响。注意到纤维分布的随机性,本文还研究了纤维相对位置对材料导热性的影响,指出相对位置的变化可导致材料的各向异性导热性。本文指出基体相导热性对材料整体导热性的影响比纤维相的影响更重要。和已有的理论和实验结果的比较说明,本文提出的方法是很有效的。      

随机结构复合材料等效导热系数的理论预测

基于随机生成结构法创建了纤维随机排布的复合材料纤维体,采用链表数据结构实现了一种物理直观、不依赖网格划分的纤维体等效导热系数理论预测方法。将该方法用于酚醛浸渍碳烧蚀材料,研究了影响等效导热系数的相关因素。结论表明:复合材料的等效导热系数并非材料固有属性,纤维长度与试件尺度相近时,试件尺度会影响材料导热系数;单位空间的纤维根数与等效导热系数呈非线性正相关关系;但等效导热系数并非体积分数的单变量函数,还取决于纤维的连通性,有效长度愈小,则表明连通性愈好,等效导热系数愈大。      

柔性可拉伸硅橡胶@多壁碳纳米管/硅橡胶可穿戴应变传感纤维

基于核-壳结构设计,采用简便、低成本的浸涂-固化法制得柔性、可拉伸、高灵敏且稳定的聚二甲基硅氧烷硅橡胶@多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷硅橡胶(PDMS@MWCNTs/PDMS)压阻式应变传感纤维。通过FTIR、XRD、TG、TEM对硅烷偶联剂改性多壁碳纳米管(MWCNTs-KH570)的化学结构、热稳定性和微观形貌进行了分析,深入研究了核-壳结构与MWCNTs-KH570质量分数对PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维导电性能、传感性能及力学性能的影响规律与机制。结果表明:羟基化MWCNTs(MWCNTs—OH)表面接枝KH570使其在壳层PDMS基体中具有良好的分散性和界面相互作用;核-壳结构的设计使PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维在低填充下具有高电导率和传感性能;PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维的导电性能与传感性能随着MWCNTs-KH570质量分数增加而提高,且在人体关节运动监测中表现出良好的可重复性和工作稳定性。      

碳纤维含量对短碳纤维-铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料,测定了复合材料的力学性能和物理性能,表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合,碳纤维含量对复合材料性能影响极大。     

Computational analysis of the thermal conductivity of the carbon–carbon composite materials

Experimental data for carbon–carbon constituent materials are combined with a three-dimensional stationary heat-transfer finite element analysis to compute the average transverse and longitudinal thermal conductivities in carbon–carbon composites. Particular attention is given in elucidating the roles of various micro-structural defects such as de-bonded fiber/matrix interfaces, cracks and voids on thermal conductivity in these materials. In addition, the effect of the fiber precursor material is explored by analyzing PAN-based and pitch-based carbon fibers, both in the same type pitch-based carbon matrix. The finite element analysis is carried out at two distinct length scales: (a) a micro scale comparable with the diameter of carbon fibers and (b) a macro scale comparable with the thickness of carbon–carbon composite structures used in the thermal protection systems for space vehicles. The results obtain at room temperature are quite consistent with their experimental counterparts. At high temperatures, the model predicts that the contributions of gas-phase conduction and radiation within the micro-structural defects can significantly increase the transverse thermal conductivity of the carbon–carbon composites.     

预报纤维增强复合材料有效热导率的随机微结构胞元模型

发展了能预报复合材料有效性质的随机微结构胞元模型以预测单向纤维增强复合材料横向热导率。研究了能反映宏观有效性质的模型最小化问题, 探讨了微结构影响宏观有效热传导性能的机制。结果表明: 通过对模型指定周期边界条件并且以多个合适的小规模模型计算的平均值取代大模型计算, 可大大改进收敛性并提高计算效率, 从10×10个到30×30个子胞的模型, 所得有效热导率计算结果的最大相对变化量仅为0.6%。不同纤维排列引起热流穿过热阻大的基体的路径长度改变, 造成有效热导率不同; 纤维热导率远大于基体热导率时, 纤维随机分布造成纤维偏聚, 部分纤维接触形成"热流通道", 使得有效热导率增大, 揭示了某一体积分数下有效热导率急剧增加是由"热流通道"贯通引起。与实验结果的比较说明了微结构随机性研究的必要性和本文工作的实用价值。     

含纤维断裂复合材料热阻变化的细观建模

为探讨单向纤维增强复合材料中纤维损伤与材料热阻变化之间的关系,建立了由纤维断裂引起热阻变化的细观理论模型,并利用该模型对热阻变化率进行了定性分析。针对纵向传热与垂直传热两种情形下的热阻进行分析,结合Weibull纤维强度分布模型,引入纤维失效长度作为纤维链段的最小长度,获得了纤维断裂引起的复合材料纵向和沿厚度方向热阻变化率的解析函数。采用Monte-Carlo随机方法对外加应力作用下复合材料热阻随着纤维断裂而发生变化的过程进行模拟。研究结果表明:无论是纵向热阻还是厚度方向的热阻,热阻变化率均随纤维断点数目的增大而线性递增;纤维体积组分越大,热阻变化率越大。纵向热阻变化率随着纤维/基体导热系数比β的增大而迅速增大,但当β10时增大的幅度逐渐减弱;而厚度方向的热阻变化率则随着β的增大先急剧增大而后递减,当纤维与基体的导热系数相当时(在β=1附近)达到最大值。     

碳纤维含量对短碳纤维－铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料，测定了复合材料的力学性能和物理性能，表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合，碳纤维含量对复合材料性能影响极大。     

BN纤维对石墨烯微片/聚丙烯复合材料导热绝缘性能的影响

采用熔融共混法制备BN纤维-石墨烯微片/聚丙烯（BN纤维-GNP/PP）高导热绝缘复合材料,结合有限元模拟、SEM、XRD、导热导电测试结果,探究了BN纤维含量和长度对BN纤维-GNP/PP复合材料导热绝缘性能的影响。结果表明:BN纤维-GNP/PP复合材料中BN纤维含量和长度的增加可增大GNP分布范围,增大BN纤维与GNP的接触概率;在GNP含量为7wt%、100 μm BN纤维含量为20wt%时BN纤维-GNP/PP复合材料的热导率较PP提高了4.2倍,同时电绝缘性略有提高。模拟结果表明,高含量100 μm BN纤维的加入使BN纤维-GNP/PP复合材料导热网络的构建趋于完整,局部热通量较低的区域减少。片状GNP与纤维状BN二相填料的"协同效应",使GNP和BN纤维分别作为"岛"和"桥"形成了一种特殊的"双网络"结构,BN纤维作为高导热"桥"阻隔了相邻GNP间导电通路的形成,从而提高了BN纤维-GNP/PP复合材料的导热绝缘性能。      

Thermal and mechanical properties of waste grass broom fiber-reinforced polyester composites

The main focus of this study is to utilize waste grass broom natural fibers as reinforcement and polyester resin as matrix for making partially biodegradable green composites. Thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity of composites were investigated as a function of fiber content and temperature. The waste grass broom fiber has a tensile strength of 297.58 MPa, modulus of 18.28 GPa, and an effective density of 864 kg/m³. The volume fraction of fibers in the composites was varied from 0.163 to 0.358. Thermal conductivity of unidirectional composites was investigated experimentally by a guarded heat flow meter method. The results show that the thermal conductivity of composite decreased with increase in fiber content and the quite opposite trend was observed with respect to temperature. Moreover, the experimental results of thermal conductivity at different volume fractions were compared with two theoretical models. The specific heat capacity of the composite as measured by differential scanning calorimeter showed similar trend as that of the thermal conductivity. The variation in thermal diffusivity with respect to volume fraction of fiber and temperature was not so significant.The tensile strength and tensile modulus of the composites showed a maximum improvement of 222% and 173%, respectively over pure matrix. The work of fracture of the composites with maximum volume fraction of fibers was found to be 296 Jm⁻¹.