填充型聚合物基导热复合材料的e-DPD模拟研究

摘要

在复合材料领域中，复合体系的导热性能一直都是研究热点。高分子复合材料的导热性能强烈依赖于填充的导热填料本身的性质以及填料在体系中是否形成导热通路。由于高分子复合材料绝缘性好，且具有独特的易加工和结构特点，促使拥有不可取代的优异性能，从而应用于科学技术和生产力发展过程中。然而，大多数高分子材料都是不良的热导体，单一的组分材料越来不能满足现在工业生产等领域的需求。因此，合成具有高导热的高分子复合材料是不可避免的。比如，向高分子材料添加高导热填料后能大大提高其导热性能。此外，相关导热复合材料的导热机理以及导热填料形成的导热网络结构是很难用实验方法进行控制和表征。计算机模拟可以从微观层次上模拟研究复合材料的微观结构，解释和分析复合材料的导热性能。本论文基于能量守恒的耗散粒子动力学模型方法(e-DPD)研究复合材料的微观形态和不同受限环境下共混自组装形成微观结构对复合材料导热性能的影响，具体内容如下:
　　研究复合材料体系的微观结构对复合材料导热性能的影响。当复合材料体系中的导热颗粒在热流方向上和传热截断半径范围内形成理想导热通路时能大大提高其导热系数，但目前技术使复合体系的导热性能提高那么多还是无法实现的。对求解到复合材料体系的总热流量进行热流分解，结果表明提高复合材料导热系数的主要原因是由导热颗粒与导热颗粒间的热流量所引起。当复合体系中导热颗粒规则地排列分布在热流方向上，但在传热截断半径范围内不形成伪导热通路时，也能很好地提高其导热性能，这种方法可以有效降低复合体系中填料的填充量。选取两种不同形貌的高导热颗粒来研究填料的形貌、尺寸和含量大小对复合材料导热性能的影响。研究表明随着导热填料填充量的增大，两种不同形貌的高导热颗粒均能提高复合体系的热导率，但添加片层状颗粒体系要比中心对称颗粒体系明显提高。改变复合材料中中心对称颗粒的尺寸后，越小尺寸的中心对称颗粒，其复合体的导热率越大。从分解的总热量图可以看出，颗粒尺寸越小，颗粒与聚合物间的热流量越大，说明越小体积的颗粒能够较分散在基体中，从而明显的提高导热效果。然而，对于不同尺寸（L3、L4、L9和L16）的片层状颗粒复合体系，添加L4的复合体系导热系数最大。选取三种尺寸的(L3、L4和L9)片层状颗粒进行取向和非取向时，取向的片层状颗粒比非取向复合体系热导率要高，且添加的L4进行取向时的复合材料体系导热系数最高。
　　在复合体系中加入有选择性填料，研究受限环境下聚合物基自组装形成微观结构对其导热性能影响。当选取基体为等对称线性两嵌段聚合物(A16B16)时，导热颗粒的形貌、填充量以及在基体中选择分布形成复合材料的微相结构都影响复合材料的导热性能。在本节中加入颗粒填充量最大为12.5％，以保证含有导热颗粒的复合体系也能形成层状结构。选取不同形状的导热颗粒（P1、R5和L25）的复合体系导热性能数值相比较依次是L25＞ R5＞ P1。随着不同形状导热颗粒的填充量增大，复合体系的导热系数也随之增大。从VMD图可以看出片层状颗粒能够较好地分散分布在层状嵌段共聚物中，在B相和两相界面处能够取向分布，在体系中更容易形成导热网络结构。导热颗粒的富集相是在B相中和两相界面处时比导热颗粒在A与B相分散分布时共混体系得到的自组装构型更有利于提高复合体系导热性能。当选取两种不同聚合物（A32和B32）的共混体为基体时，研究A32和B32的复配比和导热颗粒的形貌以及在基体中的选择分布形成的复合材料微相结构对其导热性能影响。导热填料的填充量为5％，改变A32和B32的复配比，并向复合体系中添加不同形貌的导热颗粒(P1、R5和L25)，结果表明当A32∶B32=29∶9时，含有L25的复合体系导热效果更好。从VMD图中可以看出L25在基体中能够较好的取向分布导致其导热性能好。导热颗粒集中分布在B相中和两相界面处时都比导热颗粒在两相中分散分布时复合体系的自组装构型更有利于提高复合体系导热性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 聚合物基复合材料导热研究现状

1．2．1 复合材料微观形态

1．2．2 受限状态下复合材料微观形态

1．3 能量守恒的耗散力动力学理论基础

1．3．1 e-DPD发展史

1．3．2 e-DPD基本理论

1．3．3 粗粒化模型

1．3．4 积分算法

1．3．5 优化算法

1．3．6 周期性边界条件与最小镜像法

1．3．7 初始条件

1．4 课题研究内容及主要意义

1．4．1 研究主要内容

1．4．2 研究意义

第二章 复合材料微观形态对导热性能的影响

2．1 引言

2．2 模型与模拟方法

2．2．1 模型介绍

2．3 结果与讨论

2．3．1 导热模型验证

2．3．2 导热填料在热流方向上形成理想导热通路

2．3．3 导热填料在热流方向上形成伪导热通路

2．3．4 不同尺寸颗粒状填料

2．3．5 不同尺寸片层状填料

2．3．6 不同尺寸片层状填料取向与非取向

2．4 本章小结

第三章 受限状态下复合材料微观形态对导热性能的影响

3．1 引言

3．2 模型与模拟方法

3．2．1 模型介绍

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同形状填料与嵌段共聚物

3．3．2 不同形状填料与共混物

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文