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一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型2008.pdf

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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实际意义等效导热系数是表征材料导热性 和优异的耐化学腐蚀、较高的耐温性能,因而在能的重要参数,已提出过一些预测导热系数数学 、 现代工业及高新技术中的应用日益广泛。例如,模型,如一模型 、、 、一’。 以聚丙烯石墨复合材料氟塑料石墨复模型模型模型〕 。, 合材料等材料生产的换热设备在使用过程中取等最近和应用傅立叶定律分别建 得了巨大的经济效益和社会效益『’一‘〕。在电气立了中空和实心无机粒子填充聚合物复合材料 , 电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,导热模型并用有限元软件对其传热过程进行了 ‘‘。 、’一〕 电子元件逻辑电路的体积迅速缩小,更需要高模拟并计算出等效导热系数 , 导热性的绝缘材料际〕。因此,在过去的几十年下面将在先前工作的基础上推导新的颗粒 , 里,国内外学者对高分子复合导热材料展开了系填充聚合物复合材料的导热系数方程并引用文 统的理论和应用研究。绝大多数高分子材料属献」发表的酚醛树脂铝粉和酚醛树脂石墨 于低导热率材料,故常用的方法是通过共混在聚 收稿日期一一修改稿收到日期一一。 合物中加人高导热率的填料,以获得高导热复合 作者简介梁基照,男,教授,博士生导师。主要从事聚合物 。, 材一这种材的递十。一, 料般说来复合料热传分复复合材料与机械装备方面的研究 , 杂研究其导热机理和建立预测导热性能有理论。 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。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 导热模型合物复合材料等效导热系数公式为 。 导热聚合物复合材料的导热系数由聚合物 。姿 和填料颗粒综合作用决定假设填料粒子在聚·了 合物基体中均匀分布,可将整个复合材料视为无普赘 。 数个包裹着填料粒子的导热单元构成根据傅式中。聚合物复合材料导热系数 。— 立叶定律热量在导热单元中的传递途径是聚合聚合物导热系数 、— 物界面填料粒子聚合物混合界面一聚合物颗粒填料粒子导热系数 ,。·’习— 界面如图所示根据最小热阻力法则协复合材料中填料粒子体积 ,—。 和比等效导热系数法则只要复合材料的单元体分数 , 与总体有相等的比等效热阻不论单元体的尺度一模型仁二是预测聚合物颗粒 大小,在只考虑热传导时,这种单元体与总体的填充复合材料导热系数的常用理论模型。该模 。 等效传热系数相等以上述法则为基础,用均匀型简单表征了匀质球体分散在均一基体中形成 。 化方法「’刁建立简化数学模型复合材料等效导的复合材料的热传导性。在体系填充量不高时, , 热系数的计算归结为具有相同比等效热阻的该模型能很好地预测其热传导性。导热系数的 。 单元体的等效导热系数的计算现将整块复合数学表达式如下 材料看成是由大量中心包含一个球形填充颗粒一。 。笋。 。 的正方体导热单元组成。在先前的工作中笔一咖一 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。 试验部分 仪器及方法 试验采用的导热系数测定仪是由华南理工 一 石沈大学工业装备与控制工程学院精密仪器实验室 久卜 一, 气二设计的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 正比。 图颗粒填充聚合物复合材料传热简化模型成 , ,,,℃ 注图中为正方体边长为粒子半径为单元高度运用稳态平板导热系数测定仪在 , 为高度增量,,尺书说明见正文中。℃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 。 根据热传导与电传导的相似性,导热单元总的导热系数 热阻由填充颗粒与中间段聚合物的并联热阻,与材料物理性能 , 两端聚合物的热阻串联加和构成,如图所酚醛树脂密度导热系数 ·, 示。对应图,和代表上下部分树脂一铝粉密度,平均 · 的热阻,尺代表中间部分树脂的热阻,是中粒子半径拼,导热系数 ,,, 间部分颗粒的热阻。热流从正方体顶面进人,石墨密度平均粒子半径拼导 正方体边长为,将颗粒填充物视为粒子直径热系