基于填料填充的复合材料导热特性研究

摘要

随着社会的不断进步，能源与环境问题日益成为社会经济发展的制约因素，热能存储可以有效地提高能源利用效率、节约能源，在减轻能源需求及缓解环境恶化方面意义重大。相变储能技术作为热能存储的重要方式，相比于传统的热能存储方式具有储能密度大、储能过程温度稳定、储能设备体积小等优势，被认为是21世纪最具潜力的热能存储方式之一。高导热填料能够有效地弥补相变材料储能过程中导热能力差的缺点，其填充后复合材料的导热特性一直是研究的重点和热点。本文分别针对不同人工形状填料填充的复合材料和短纤维填料以及人工圆柱形填料填充的复合材料的导热特性分别展开研究，揭示填料的体积含量、导热系数比、接触热阻等对复合材料有效导热系数的影响规律，对其影响原因进行分析并建立起能够预测人工填料、短纤维填料填充的复合材料的有效导热系数预测关联式。主要研究内容与结论如下：
　　（1）针对不同人工形状填料填充的复合材料，建立起人工形状填料填充的复合材料导热数值模型，研究不同形状填料的体积含量、导热系数比、接触热阻对于复合材料有效导热系数的影响。结果表明：复合材料的有效导热系数随着接触热阻的增大而减小，且这种减小速度逐渐降低直至趋于水平。不同形状填料对于接触热阻的敏感程度不同，圆形和正方形填料受接触热阻的影响最大。不同形状的填料的接触热阻效应有所差异，片状填料填充的复合材料导热性能整体优于粉末状填料。在考虑填料的体积含量、导热系数比、接触热阻时，小长径比的矩形填料填充的复合材料的有效导热系数最大，圆形和正方形填料最小。在热流方向上具有长通道的填料填充的复合材料的有效导热系数最高，这也是以后填料形状优化的方向。
　　（2）针对短纤维填料以及人工圆柱形填料填充的复合材料，建立起短纤维以及人工圆柱形填料填充的复合材料导热数值模型，研究填料的体积含量、导热系数比、长径比对于复合材料有效导热系数的影响。结果表明：复合材料的有效导热系数在填料的长径比很小时随着体积含量的增加成线性增长的趋势，这一趋势在长径比增大到一定程度后变成非线性。在填料的体积含量很小时，长径比对于复合材料有效导热系数的影响有限。在填料与基体材料间的导热系数比在1～100范围时，随着导热系数比的增加，复合材料的有效导热系数也逐渐增长。当填料与基体材料间的导热系数比达到100后，复合材料的有效导热系数保持稳定，继续增加填料的导热系数对复合材料的导热性能影响不大。在填料的长径比很小时，复合材料的有效导热系数随着长径比的增加缓慢。当长径比达到一定程度后，复合材料的有效导热系数增长速度越来越快。
　　（3）通过非线性回归的方法，分别对不同人工形状填料填充的复合材料有效导热系数、短纤维以及人工圆柱形填料填充的复合材料有效导热系数的模拟结果数据进行拟合得到相应的有效导热系数预测关联式，并通过文献对照或者实验的方法对得到的导热系数预测关联式进行验证。拟合得到的复合材料有效导热系数关联式能够较好的预测复合材料的有效导热系数，并给出了相应的有效导热系数预测关联式的使用范围。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1背景及意义(Background and Significance)

1.2 相变储能技术的应用(Application of Phase Change Energy Storage Technology)

1.3 相变材料强化传热研究进展(Research Progress on Heat Transfer Enhancement of Phase Change Materials)

1.4 导热复合材料的导热机理以及传统导热模型分析(Thermal

1.5 本文研究目的与内容(The Purpose and Content of This Study)

2 不同人工形状填料填充的复合材料导热特性研究

2.1 前言(Foreword)

2.2 导热模型的建立(Establishment of Heat Conduction Model)

2.3 结果与讨论(Results and Discussion)

2.4 本章小结(Summary)

3 短纤维以及人工圆柱形填料填充的复合材料导热特性研究

3.1 前言(Foreword)

3.2 导热模型的建立(Establishment of Heat Conduction Model)

3.3 结果与讨论(Results and Discussion)

3.4 本章小节(Summary)

4 填料填充的复合材料有效导热系数预测关联式

4.1 前言(Foreword)

4.2 不同人工形状填料填充的复合材料有效导热系数预测关联式(The Correlations for Predicting the Effective Thermal Conductivity of Composite Materials Packing with Different Artificial Shape Fillers)

4.3 短纤维以及人工圆柱形填料填充的复合材料有效导热系数预测关联式(The Correlation for Predicting the Effective Thermal Conductivity of Composite Materials Packing with Short Fiber Fillers or Artificial Cylinder Fillers)

4.4 本章小节(Summary)

5 结论与展望

5.1 主要结论(Conclusions)

5.2 本文的创新点(Main innovation)

5.3 展望(Expectations)

参考文献

附录1

作者简历

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