粒子填充聚合物基复合材料导热性能的数值模拟 2009.pdf

复合材料学报第26卷第1期2月2009年
ActaMateriaeCompositaeSinicaVol126No11February2009

文章编号:100023851(2009)0120036207

粒子填充聚合物基复合材料导热性能的数值模拟

刘加奇1,张立群1,2,杨海波1,丁雪佳1,陈琪1,卢咏来31
(1.北京化工大学北京市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室北京100029;
2.北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室,北京100029)

摘要: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。
关键词:导热复合材料;热导率;非均匀粒子空间分布;代表体积元模型;有限元;导热硅橡胶
中图分类号:TB332文献标志码:A

Numericalinvestigationofthethermalpropertyofparticlefilledpolymermatrixcomposite

LIUJiaqi1,ZHANGLiqun1,2,YANGHaibo1,DINGXuejia1,CHENQi1,LUYonglai31
(1.KeyLaboratoryofBeijingCityonPreparationandProcessingofNovelPolymerMaterials,BeijingUniversityof
ChemicalTechnology,Beijing100029,China;2.KeyLaboratoryforNanomaterials,MinistryofEducation,
BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

Abstract:Arepresentativevolumeelement(RVE)modelwasdevelopedtoinvestigatetherelationbetweenthermal
propertyandmicrostructureoftheparticlefilledcomposite.Themodelwasbasedontwonovelalgorithms,andwas
constructedwiththesameparticlespatialdistributionstructureoftherealheterogeneouscompositebythe
introductionoftwoparameters,i.e.theratioandtheradiusofparticle2poorregion,whichbothwereestimated
fromSEMmicrographs.Themodelwasverifiedbycomparingthepredictedandthepracticalthermalconductivity.
Ithasbeenfoundthatthesimulationresultsareaccurateinthelargescaleoffillercontent.Thesystemwithnon2
uniformparticlespatialdistributionshowshigherthermalconductivitythanthatwithrandomoruniformparticle
spatialdistribution,especiallyatthehighfillervolumefractionwhenconductivepathwaysornetworksform.Andat
thesamefillervolumefraction,thethermalconductivityofthecompositescanbesignificantlydifferentduetothe
differentparticlespatialdistributions.
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