磁場(chǎng)作用下碳納米管-橡膠二元復(fù)合材料導(dǎo)熱理論研究.pdf

1、橡膠具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于日常生活及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但是橡膠的熱導(dǎo)率較低，限制了其在一些需要良好導(dǎo)熱性能場(chǎng)合中的應(yīng)用。多壁碳納米管(MWNTs)具有極高的熱導(dǎo)率，將其作為導(dǎo)熱填料來(lái)改善橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能具有很大的潛力。磁場(chǎng)作用可以促使MWNTs在橡膠基體中定向排序，充分發(fā)揮MWNTs的軸向?qū)嵝阅軆?yōu)勢(shì)，有利于進(jìn)一步的改善橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。然而由于橡膠基體柔性高、模量低、生膠粘度大、加工困難，目前關(guān)于碳納米管/橡膠復(fù)

2、合材料導(dǎo)熱性能方面的研究報(bào)道較少或結(jié)果比較消極。因此，本文通過(guò)采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)磁場(chǎng)作用下的MWNTs/橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能展開(kāi)了研究。
　　在數(shù)值計(jì)算方面，開(kāi)展了兩方面的工作。
　　由于MWNTs/橡膠復(fù)合材料各組分間的邊界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而格子波爾茲曼方法(LBM)適用于處理復(fù)雜的邊界條件和各組分之間的相互作用，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單。因此，本文利用LBM研究了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。首先利用計(jì)算機(jī)建立了不同取向MWNT

3、s/橡膠復(fù)合材料的等效結(jié)構(gòu)單元模型，利用LBM數(shù)值計(jì)算獲得復(fù)合材料的等效熱導(dǎo)率。在此模型基礎(chǔ)上，研究了MWNTs填充量、取向角度以及直徑對(duì)橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明:橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著MWNTs軸向與基體內(nèi)熱流方向之間的夾角的增大而逐漸降低，而且降低的幅度逐漸減小;當(dāng)MWNTs的軸向平行于熱流方向時(shí)，橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率得到顯著的提高。不同取向MWNTs/橡膠復(fù)合材料之間的熱導(dǎo)率差值會(huì)隨著MWNTs填充量的增大而逐漸增大

4、。填充MWNTs的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，直徑較小的MWNTs/橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較大。
　　界面熱阻是影響碳納米管復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的重要因素，LBM計(jì)算模型基于界面溫度連續(xù)性條件進(jìn)行計(jì)算，用之研究界面熱阻對(duì)MWNTs/橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，目前還有困難。ANSYS軟件可以方便地通過(guò)設(shè)置接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)的方式來(lái)研究界面熱阻對(duì)橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。為了進(jìn)一步深入研究MWNTs/橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，基于連續(xù)介質(zhì)理論建立了定向M

5、WNTs/橡膠復(fù)合材料的代表體積元(RVE)模型，利用有限元方法數(shù)值計(jì)算獲得復(fù)合材料的等效熱導(dǎo)率。在此模型基礎(chǔ)上，著重研究了界面熱阻對(duì)MWNTs定向填充橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):界面熱阻的存在會(huì)嚴(yán)重阻礙MWNTs與橡膠基體之間的熱流傳遞，對(duì)橡膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的改善有很大的影響。在不同的MWNTs填充體積分?jǐn)?shù)下，隨著界面熱阻的增大，MWNTs/橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率都先開(kāi)始減小，當(dāng)界面熱阻增大到一定值后，復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨界面熱

6、阻的增大而基本保持不變。
　　數(shù)值計(jì)算表明MWNTs的取向?qū)?fù)合材料熱導(dǎo)率有較大的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)部分，為了使MWNTs能夠在橡膠基體內(nèi)很好的取向:首先，對(duì)MWNTs進(jìn)行磁改性，采用共沉淀法在MWNTs表面包覆四氧化三鐵(Fe3O4)磁性粒子，制備得到Fe3O4/MWNTs磁性復(fù)合粒子;然后，采用溶液共混的方法，在磁場(chǎng)作用下將改性后的MWNTs填充到橡膠復(fù)合材料中，制備得到不同取向的MWNTs/橡膠復(fù)合材料;最后，通過(guò)測(cè)定其熱導(dǎo)

7、率，研究了Fe3O4磁性粒子、磁場(chǎng)的強(qiáng)度及方向?qū)ο鹉z復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):MWNTs表面包覆Fe3O4磁性粒子后具有很好磁響應(yīng)性，但是其與橡膠基體之間的界面結(jié)合能力變差，存在較大的界面熱阻。增大磁場(chǎng)強(qiáng)度有利于促進(jìn)Fe3O4/MWNTs在橡膠基體內(nèi)的取向，使得橡膠復(fù)合材料沿著MWNTs取向方向上的熱導(dǎo)率增大，當(dāng)外磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于430mT時(shí)，熱導(dǎo)率的增長(zhǎng)開(kāi)始趨于平緩。MWNTs的取向與熱流方向之間的夾角越小，橡膠復(fù)合材料沿著熱流