聚合物基复合材料导热模型及其研究进展

综述了聚合物基复合材料研究现状和应用前景,简要介绍了填充型聚合物基复合材料的导热机理.重点对聚合物基复合材料的经典导热模型进行了归纳和总结,介绍了部分模型的具体推导过程,对比了各模型的适用条件及特点.同时提出了导热模型普适性不足的问题,指出在人工智能的飞跃式发展和大数据时代背景下,聚合物基复合材料在各种高精尖领域中将具有广阔的发展前景,并对该领域的未来研究提出一些建议.     

基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算

文章运用数值单元体法建立了计算填充二硫化钼聚甲醛基复合材料有效导热系数的模型,提出了用有限元法和用求单元体模型的等效热阻来确定该复合材料等效导热系数2种计算方法,通过计算表明2种方法的计算结果比较接近,并运用上述方法研究了二硫化钼含量对聚甲醛基复合材料导热系数的影响规律.     

聚合物基导热绝缘复合材料的性能及界面效应

用不同界面处理剂和工艺对导热填料进行处理,并以熔融共混的方法制备乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/填料体系导热绝缘功能封装复合材料.研究了复合材料热导率λ和体积电阻率pv的影响因素、变化规律及其内在原因.不同填充体系热导率和体积电阻率差别较大,变化趋势也各异;碳化硅(SiC)填充的复合材料具有更高的导热性能,ψ(SiC)=0.6时,λ=2.85 W/(m·K);氮化硼(BN)和氧化锌(ZnO)填充体系的绝缘性能更好,pv多为1012Q·m;不同界面处理剂和工艺对复合材料热导率和绝缘电阻的影响明显不同,硬脂酸处理ZnO可使热导率提高12%,效果最好;过量的小分子处理剂相比硅烷偶联剂能更显著地降低复合材料的热导率.研究表明:界面处理对复合材料热导率的提高与否主要取决于是否能够加强与界面的结合,复合材料的传热机制可以用振动传递理论进行合理解释.     

聚合物基复合介电材料的研究进展

具有高介电常数、低介电损耗的柔性聚合物基复合材料在电子电气行业和能源等领域有重要的应用前景。本文结合国内外近年来在这一领域的研究成果,对聚合物基高性能复合介电材料的研究进展进行了介绍。根据填料类型的不同,重点讨论了有机填料、介电陶瓷填料和导电填料对聚合物基复合材料介电性能的影响。从填料粒子的结构尺寸、几何形貌,以及填料粒子与聚合物基体之间的界面相互作用出发,探讨了影响复合材料介电性能的因素。在此基础上提出今后的研究要更加关注纳米填料的纳米效应和多组分填料之间的协同作用。     

填充型高分子复合材料导热性能研究

分析了填充型高分子复合材料的导热机理,并预测复合材料导热系数的数学模型.指出当前高分子导热复合材料研究中存在的问题,提出未来导热高分子复合材料的开发方向,即开发具有高导热系数的纳米填充物,利用纳米复合技术提高其综合性能;改进表面处理方法,对填充物表面进行改性.     

热塑性复合材料等效导热系数测定方法

为了提高热塑性复合材料的导热性,为热塑性复合材料的开发与应用提供依据,研究了一种热塑性复合材料等效导热系数测定方法。将聚酰亚胺模塑粉、胶体石墨和炭纤维作为原料,制备热塑性复合材料,搭建复杂环境下导热系数测试实验平台,通过稳态法对理论上单一材料的导热系数进行计算。把填料转换成体积含量,研究热塑性复合材料导热性能,发现填充石墨和炭纤维的热塑性复合材料导热性能有很大的不同,需研究一种通用的热塑性复合材料等效导热系数测定方法。生成等效结构,在此基础上,依据常物性、无内热源与稳态热传导对热塑性复合材料等效导热系数进行测定,利用从底向上的计算方式求出等效导热系数。通过实验测试平台测量炭纤维填充热塑性复合材料和石墨填充热塑性复合材料,结果表明,所提测定结果基本分布于实测数据周围。通过人为添加满足正态分布的实验误差当成实验测量值对等效导热系数进行测定,所提方法可在测量误差情况下给出准确的热塑性复合材料等效系数测定结果。可见所提方法测定结果准确。     

h-BN与Al2O3复配填充共聚甲醛导热材料的制备及性能

选用六方氮化硼(h-BN)和α球形Al_2O_3为导热填料,分别以单一填料和复配填料制备填充共聚甲醛(Co-POM)导热材料,研究了填料含量、复配比例等因素对Co-POM材料的导热系数、拉伸性能和微观形态的影响。结果表明:两种填料都能提高Co-POM材料的导热系数,填充量越大,导热系数越高,但h-BN比Al_2O_3导热改性效果更好。当h-BN和Al_2O_3复配填充质量比为1∶1(填充总量的质量分数为20%)时,Co-POM导热系数超过Al_2O_3质量分数为30%的单一填料的导热系数,并接近h-BN质量分数为20%的单一填料的导热系数,而复配填充Co-POM的力学性能变化不大。因此,复配填料能达到降低填充量以及降低填料成本的目的。     

人工皮肤用碳纳米管/硅胶压敏材料研究

利用溶液共混法制成了一种新型的碳纳米管(CNTs)/硅胶压敏复合材料.实验分析了碳纳米管的功能化、填充体积分数和长径比等对复合材料电学性能的影响.结果表明:功能化可以改善碳纳米管在聚合物中的分散性;改变填料的长径比及填料体积分数可以改变复合材料的压阻敏感性及线性.当功能化碳纳米管添加体积分数为25％时制备的复合材料具有...     

颗粒弥散型复合材料导热性能的分形分析

采用有限体积方法对颗粒弥散型复合材料分形模型的导热性能进行数值模拟,探讨了不同因素对导热性能的影响规律.研究结果表明:随着导热颗粒填充率的增加,复合材料导热性能呈非线性增大的趋势变化;在填充率相同的情况下,导热颗粒弥散和团聚的形态与方向对导热性能有很大影响;增强颗粒在热流传递方向上的接触性而形成高导热通路是提高复合材料导热性能的主要途径.     

计算机模拟聚合物纳米复合材料导电导热的研究进展

总结了作者课题组采用分子动力学模拟方法,在聚合物纳米复合材料导电导热方面取得的研究进展。研究结果表明,高的聚合物导电填料相互作用能、中等的分子链功能化改性度、中等的导电填料表面接枝分子链数目、中等的本体交联密度以及中等比率的聚合物共混有利于导电填料网络的形成,进而得到高的材料电导率。另外,外加剪切场和电场会显著地致使导电填料沿着外场方向取向,进而获得导电各向异性材料。当外加剪切场和电场撤去后,导电网络会逐渐地回复到初始值,这个回复过程可以用一个模型来描绘。对于导热性能,聚合物填料界面热导率与填料接枝密度成正比;随着接枝长度的增加,聚合物填料界面热导率先上升后逐渐趋于恒定;然而填料热导率随着接枝密度的上升而显著下降,最终在中等接枝密度下材料的热导率达到最大值。此外,填料间热阻可以用一个热环流模型来描绘。最后,分子链接枝填料末端会显著提高材料的热导率。这些基础问题的探讨将为制备高导电高导热的聚合物纳米复合材料提供重要的科学依据与理论指导。     

可陶瓷化酚醛树脂基复合材料烧蚀隔热性能研究

为了提高酚醛树脂基复合材料的烧蚀隔热性能,本研究采用陕西太航高残碳热固性硼酚醛树脂(THC)系列为基体,芳碳混编布为增强相,通过添加不同比例的锆系功能性填料(陶瓷化助剂)以制备可陶瓷化酚醛树脂基复合材料.通过对改性树脂进行热失重、残碳率、导热系数和线烧蚀率的性能测试分析并辅以扫描电子显微镜(SEM)表征.研究结果表明,加入填料,在500℃以下对材料的残碳率影响不大,500℃以上能显著提高复合材料的烧蚀隔热性能,且随着填料占比的增加,影响越明显.由于填料添加量9%后会存在溶解困难,因此适用于工业生产制造的优选添加量为7%.     

模拟研究和设计高强度低生热聚合物复合材料

利用分子动力学模拟方法研究聚合物复合材料中填料分布、聚合物链性质和体系微观结构对力学强度和动态滞后生热性能的影响.研究结果表明,提高填料分散程度和减少聚合物链末端数量都能有效降低聚合物复合材料的动态滞后生热,聚合物复合材料的力学强度和动态滞后生热随分子链刚性的增加而增加.但是,刚柔嵌段共聚体系的力学强度,在高拉伸状态下,甚至会优于全刚性聚合物体系.在前述研究基础上,笔者设计了一款以填料颗粒为交联点、刚/柔环状链段互穿的三维网络结构复合体系.研究结果表明,新型复合材料与传统聚合物相比,力学性能最高提升640％,生热性能降低40％.模拟研究结果期望能为分析聚合物复合材料的生热机制、设计兼具高力学强度和低生热性能的聚合物复合材料提供理论指导和新的思路.     

复合绝缘材料微观界面处离子电荷的积累与体积电导率

采用单元模型分析了无机填料填充的聚合物基复合绝缘材料中微观界面处的离子电荷积累过程，对填充的乙丙橡胶试样进行的热刺激电流实验结果验证了这一分析，用作者得到的界面电荷积累动力学方程可以解释从串、并联电路角度所无法说明的复合体系电导率随填料浓度变化的重要规律     

聚合物/中空微球复合材料传热的理论模型

分析了中空微球填充聚合物复合材料的传热机理，指出其热传递主要以固体和气体的热传导、中空微球表面之间的热幅射和中空微球内气体的自然对流三种方式进行。基于最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则，建立了热量传递的理论模型，并推导出了等效导热系数的计算式。应用该式估算了中空微球填充聚丙烯复合材料的等效导热系数（keff），并将其与数值模拟结果进行比较，发现当中空微球含量不高（φf≤20％（体积分数））时，等效导热系数的理论估算值和数值模拟值的变化趋势相似。随着中空微球含量增加，等效导热系数线性递减，当中空微球含量一定时，等效导热系数随着中空微球粒径的增加而有所下降。     

金属填充LDPE薄膜电磁屏蔽性能研究

通过向聚合物低密度聚乙烯(LDPE)中填加导电填料不锈钢纤维和镍粉,制备成了LDPE-Ni/不锈钢纤维电磁屏蔽复合薄膜. 实验研究了金属填充聚合物LDPE作为电磁屏蔽复合膜的性能,分析了金属填料的加入对复合膜电磁性能、导电性能和力学性能的影响机理. 结果表明,该薄膜对800MHz以下的低频段电磁波有良好的屏蔽效能,屏蔽值为25～30dB;"渗滤阈值"为15%～20%;材料具有较强的吸波功能;当不锈钢纤维和镍粉的质量分数为16%时,复合材料达到最大拉伸强度15MPa.     

HAF/NR复合材料中填料/基体界面相互

采用含有吡啶官能团的分子对高耐磨炭黑粒子(HAF)原位接枝改性调控填料/基体界面相互作用.采用Ayala参数定量计算填料/基体界面相互作用,研究了界面相互作用对天然橡胶(NR)补强性能的影响.复合材料的拉伸应力-应变曲线表明,填充接枝炭黑的复合材料具有更高的力学性能,其原因是炭黑接枝增强了填料-基体界面相互作用,削弱了填料-填料相互作用.     

碳纳米管填充聚合物复合材料电导率仿真研究

文章构建碳纳米管填充聚合物复合材料电导率仿真模型，采用蒙特卡洛方法实现碳纳米管填充聚合物复合材料三维建模，根据碳纳米管分布状态建立碳纳米管间距离矩阵，结合碳纳米管填充聚合物复合材料导电机理生成碳纳米管间电阻矩阵，应用大型纯电阻网络等效电阻计算方法得到复合材料电导率仿真结果，对比仿真值与实验数据，两者高度一致。借助电导率仿真模型研究碳纳米管长度和直径对复合材料电导率的影响，碳纳米管体积分数不变时，电导率随长径比增加而增大。该文建立的仿真模型可以预测不同参数碳纳米管填充聚合物复合材料电导率，为设计高性能的碳纳米管填充聚合物复合材料提供理论参考。     

聚醚醚酮基复合材料的摩擦学研究进展

聚醚醚酮 (PEEK)基复合材料是一类重要的高性能热塑性聚合物 ,在工程中有重要的应用价值。论述了不同实验条件下PEEK基复合材料的摩擦和磨损特性 ,讨论了复合材料的不同结构和组成对其摩擦磨损特性的影响。主要分析了聚四氟乙烯 (PTFE)、聚醚酰亚胺 (PEI)、热致液晶聚合物 (TLCP)以及无机颗粒增强剂 (包括纳米粒子 )和纤维填料 (玻璃纤维GF和碳纤维CF)对PEEK摩擦学特性的影响。并对PEEK改性手段的现状及前景进行了分析。     

LDPE/石墨复合材料的制备和性能

选用电导率、导热系数高的石墨(普通鳞片石墨FG、可膨胀石墨KP35、膨胀石墨EG35)对低密度聚乙烯(LDPE)进行填充改性,采用钛酸酯偶联剂NDZ101对石墨进行表面处理,提高石墨与聚合物基体的界面相互作用,制备出力学性能、导电、导热等综合性能优良的LDPE/石墨复合材料。结果表明:石墨的填充大大改善了聚乙烯的导电、导热和耐热性能,当石墨含量达20%时(文中的各种元素含量均指质量分数),LDPE/KP35的电导率达到1.91×10-7S/m,拉伸强度较LDPE有小幅提高,可作为导热抗静电材料推广应用。     

聚醚醚酮基复合材料的摩擦学研究进展

聚醚醚酮(PEEK)基复合材料是一类重要的高性能热塑性聚合物，在工程中有重要的应用价值。论述了不同实验条件下PEEK基复合材料的摩擦和磨损特性，讨论了复合材料的不同结构和组成对其摩擦磨损特性的影响。主要分析了聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酰亚胺(PEI)、热致液晶聚合物(TLCP)以及无机颗粒增强剂(包括纳米粒子)和纤维填料(玻璃纤维GF和碳纤维CF)对PEEK摩擦学特性的影响。并对PEEK改性手段的现状及前景进行了分析。