填充型橡胶复合材料导热性能实验研究及数值模拟

摘要

随着电工领域和汽车工业的迅速发展，具有优良导热性能的橡胶复合材料已成为目前研究的热点，常用提高橡胶复合材料导热性能的方法是在材料基体中填充高导热填料。本文从实验研究和数值模拟两个方面对填充型橡胶复合材料的导热性能进行研究。
　　实验研究部分:搭建了热探针法测量橡胶复合材料不同方向导热性能的实验平台，从多方位测量了氮化铝和碳纳米管分别填充三元乙丙橡胶复合材料试样的导热性能。测量结果表明:填充氮化铝和碳纳米管均可以显著增强三元乙丙橡胶的导热性能，由于氮化铝和碳纳米管自身取向的不同，填充氮化铝的试样不同方向上的导热系数差别很小，而填充碳纳米管的试样不同方向上的导热系数差异比较显著，结果对制备单一方向上具有高导热性材料具有一定的指导意义。
　　数值模拟部分:利用ANSYS有限元软件分别对均匀分布情况下颗粒形状、体积分数、柱体型颗粒取向及长径比、颗粒导热性以及球形填充颗粒空间随机分布对橡胶复合材料导热性能的影响进行了数值模拟研究。研究发现:
　　在均匀分布情况下，低填充分数时，圆柱形颗粒（纤维型）填充效果最佳，圆柱取向对橡胶复合材料导热性能有较大影响，而且长径比越大的圆柱形填充物对橡胶导热性能的提升幅度越大;
　　依靠增大填充颗粒导热性来提高复合材料的导热性能有一定局限性，填料导热系数与基体材料导热系数之比存在一个临界值，在临界值以下随着比值的增大复合材料的导热系数增加，当超过临界值后复合材料的导热系数基本不变;
　　在相同的体积分数下，空间随机分布的热导率比均匀分布的略高。当体积分数为20％～35％之间时，颗粒的空间分布对热导率的影响是最显著的，颗粒的空间分布决定了能否形成较好的热传导网链，在填充量一定的情况下，可以根据适当的空间分布，使复合材料具有较高的导热性能。
　　最后通过不同填充量氮化铝填充三元乙丙橡胶实验测量与数值模拟结果进行比较发现，两者吻合良好，趋势基本一致，随机分布比均匀分布更接近于实验值。有限元方法可以大大减少实验次数，降低实验和材料开发成本，模拟值作为预测复合材料导热性能的依据，对制备高导热复合材料有重要的指导意义。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 橡胶复合材料导热性能的研究

1．2．1 导热机理

1．2．2 实验研究

1．2．3 理论模型研究

1．2．4 数值模拟研究

1．3 橡胶复合材料导热性能的测试方法

1．3．1 稳态法

1．3．2 瞬态法

1．4 选题的目的及意义

1．5 主要研究内容及技术路线

2 热探针法测量平台搭建

2．1 热探针法测量原理

2．1．1 热探针物理模型

2．1．2 理论分析

2．2 测量系统

2．2．1 双臂电桥原理

2．2．2 测量系统的组成

2．2．3 测量系统的工作原理

2．3 测量系统中装置的制作及选择

2．3．1 热探针的制作

2．3．2 稳压直流电源的选择

2．3．3 可调精密电阻器及标准电阻的选择

2．3．4 数据采集仪的选择

2．4 实验测量平台搭建

2．5 测量系统误差估计

2．5．1 热探针和待测介质尺寸对测量结果的影响

2．5．2 测量装置的误差估计

2．6 热探针法测量橡胶复合材料热导率的可行性分析

3 橡胶复合材料导热性能实验研究

3．1 橡胶复合材料试样制备

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器和设备

3．1．3 实验配方

3．1．4 实验工艺

3．2 试样热导率测定

3．2．1 热探针仪器常数的标定

3．2．2 标准样品检验

3．2．3 碳纳米管／三元乙丙橡胶复合材料导热系数的测定及分析

3．2．4 氮化铝／三元乙丙橡胶复合材料导热系数的测定及分析

3．3 本章小结

4 橡胶复合材料导热性能数值模拟

4．1 ANSYS软件概述

4．2 传热模型基本假设

4．3 模拟步骤

4．4 有限元模型建立

4．4．1 均匀化理论

4．4．2 模型建立

4．5 颗粒形状对橡胶复合材料导热性能的影响

4．5．1 不同颗粒形状填充橡胶复合材料的温度云图与热流矢量图

4．5．2 模拟结果及分析

4．6 体积分数对橡胶复合材料导热性能的影响

4．7 圆柱体颗粒取向对橡胶复合材料导热性能的影响

4．8 圆柱体颗粒长径比对橡胶复合材料导热性能的影响

4．9 颗粒导热性对橡胶复合材料导热性能的影晌

4．9．1 温度等值线分布图

4．9．2 模拟结果及分析

4．10 空间分布对橡胶复合材料导热性能的影响

4．10．1 代表体积单元RVE

4．10．2 随机分布RVE模型

4．10．3 模拟结果及分析

4．11 氮化铝填充三元乙丙橡胶复合材料的实验测量与数值模拟比较

4．11．1 实验测量

4．11．2 数值模拟

4．11．3 实验测量与数值模拟对比

4．12 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表和完成论文

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