填充型復合材料導熱性能的數值模擬研究.pdf

1、導熱材料在化工、微電子、航空航天、國防軍工等領域有著廣泛的應用。隨著科學的發(fā)展和應用的擴大，人們對導熱材料提出了新的要求，希望其具有優(yōu)良的綜合性能。填充型聚合物復合材料不僅具有良好的導熱性能，而且具備耐腐蝕、質輕、力學性能優(yōu)良等優(yōu)點，正逐漸替代傳統(tǒng)導熱材料發(fā)揮著重要的作用。填充型復合材料的導熱性能取決于聚合物基體和導熱填料的協同效應，并不是一個簡單的共混過程。目前，在對復合材料導熱的模擬預測中，存在很多的不足，不夠深入與完善，尤其在高填

2、充下，模擬預測值與實驗結果的誤差較大。因此，建立合理的計算模型，對影響導熱性能的因素及其影響規(guī)律進行研究分析，對導熱復合材料的設計具有重要的意義。
　　本文考慮到低填充和高填充下微觀結構的差異，分別建立了對應的代表性體積單元，對填充型聚合物復合材料的導熱性能進行了數值模擬研究，為復合材料的設計提供了參考依據。主要研究內容和成果如下：
　　制備了多組氧化鋁增強環(huán)氧樹脂基復合材料，對導熱填料在基體中的分布特性進行了SEM觀察：低

3、填充量下，顆粒在基體中分散良好，近似于隨機分布；高填充量下，顆粒在基體中的分布具有顯著的微觀不均勻性。對樣品的熱導率進行測試，分析了填充體積分數對復合材料熱導率的影響。
　　根據SEM圖分別建立了能表征復合材料微觀特性的代表性體積單元（RVE）：運用隨機序列吸附法生成模型參數，從而建立低填充下顆粒隨機分布的三維RVE模型；通過控制粒子稀疏區(qū)域來表征體系內的非均勻分布，從而建立高填充下的三維RVE模型。對模型進行有限元求解，得到復合

4、材料熱導率的預測值，與實驗結果吻合良好，從而證明了本文建立的RVE模型能較為準確地描述復合材料的微觀結構。
　　最后，模擬分析了多種因素對復合材料導熱性能的影響及其影響規(guī)律，研究結果表明：（1）復合材料的熱導率隨填充體積分數的增加而增加，且增加的幅度越來越大；（2）低填充下，填料顆粒的粒徑對復合材料導熱性能的影響并不顯著；（3）選取片狀或纖維狀的填料更有利于復合材料導熱性能的提升；（4）填料與基體的熱導率之比存在一個臨界值，超過臨