填充型聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的e-DPD模擬研究.pdf

1、在復(fù)合材料領(lǐng)域中，復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能一直都是研究熱點。高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能強烈依賴于填充的導(dǎo)熱填料本身的性質(zhì)以及填料在體系中是否形成導(dǎo)熱通路。由于高分子復(fù)合材料絕緣性好，且具有獨特的易加工和結(jié)構(gòu)特點，促使擁有不可取代的優(yōu)異性能，從而應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力發(fā)展過程中。然而，大多數(shù)高分子材料都是不良的熱導(dǎo)體，單一的組分材料越來不能滿足現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的需求。因此，合成具有高導(dǎo)熱的高分子復(fù)合材料是不可避免的。比如，向高分子材料添加高導(dǎo)熱

2、填料后能大大提高其導(dǎo)熱性能。此外，相關(guān)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機理以及導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是很難用實驗方法進行控制和表征。計算機模擬可以從微觀層次上模擬研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，解釋和分析復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。本論文基于能量守恒的耗散粒子動力學(xué)模型方法(e-DPD)研究復(fù)合材料的微觀形態(tài)和不同受限環(huán)境下共混自組裝形成微觀結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，具體內(nèi)容如下:
　　研究復(fù)合材料體系的微觀結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。當(dāng)復(fù)合材料體系

3、中的導(dǎo)熱顆粒在熱流方向上和傳熱截斷半徑范圍內(nèi)形成理想導(dǎo)熱通路時能大大提高其導(dǎo)熱系數(shù)，但目前技術(shù)使復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能提高那么多還是無法實現(xiàn)的。對求解到復(fù)合材料體系的總熱流量進行熱流分解，結(jié)果表明提高復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要原因是由導(dǎo)熱顆粒與導(dǎo)熱顆粒間的熱流量所引起。當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)熱顆粒規(guī)則地排列分布在熱流方向上，但在傳熱截斷半徑范圍內(nèi)不形成偽導(dǎo)熱通路時，也能很好地提高其導(dǎo)熱性能，這種方法可以有效降低復(fù)合體系中填料的填充量。選取兩種不同形貌的

4、高導(dǎo)熱顆粒來研究填料的形貌、尺寸和含量大小對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究表明隨著導(dǎo)熱填料填充量的增大，兩種不同形貌的高導(dǎo)熱顆粒均能提高復(fù)合體系的熱導(dǎo)率，但添加片層狀顆粒體系要比中心對稱顆粒體系明顯提高。改變復(fù)合材料中中心對稱顆粒的尺寸后，越小尺寸的中心對稱顆粒，其復(fù)合體的導(dǎo)熱率越大。從分解的總熱量圖可以看出，顆粒尺寸越小，顆粒與聚合物間的熱流量越大，說明越小體積的顆粒能夠較分散在基體中，從而明顯的提高導(dǎo)熱效果。然而，對于不同尺寸（L3、

5、L4、L9和L16）的片層狀顆粒復(fù)合體系，添加L4的復(fù)合體系導(dǎo)熱系數(shù)最大。選取三種尺寸的(L3、L4和L9)片層狀顆粒進行取向和非取向時，取向的片層狀顆粒比非取向復(fù)合體系熱導(dǎo)率要高，且添加的L4進行取向時的復(fù)合材料體系導(dǎo)熱系數(shù)最高。
　　在復(fù)合體系中加入有選擇性填料，研究受限環(huán)境下聚合物基自組裝形成微觀結(jié)構(gòu)對其導(dǎo)熱性能影響。當(dāng)選取基體為等對稱線性兩嵌段聚合物(A16B16)時，導(dǎo)熱顆粒的形貌、填充量以及在基體中選擇分布形成復(fù)合材料

6、的微相結(jié)構(gòu)都影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。在本節(jié)中加入顆粒填充量最大為12.5％，以保證含有導(dǎo)熱顆粒的復(fù)合體系也能形成層狀結(jié)構(gòu)。選取不同形狀的導(dǎo)熱顆粒（P1、R5和L25）的復(fù)合體系導(dǎo)熱性能數(shù)值相比較依次是L25＞ R5＞ P1。隨著不同形狀導(dǎo)熱顆粒的填充量增大，復(fù)合體系的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。從VMD圖可以看出片層狀顆粒能夠較好地分散分布在層狀嵌段共聚物中，在B相和兩相界面處能夠取向分布，在體系中更容易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)熱顆粒的富集相是在B

7、相中和兩相界面處時比導(dǎo)熱顆粒在A與B相分散分布時共混體系得到的自組裝構(gòu)型更有利于提高復(fù)合體系導(dǎo)熱性能。當(dāng)選取兩種不同聚合物（A32和B32）的共混體為基體時，研究A32和B32的復(fù)配比和導(dǎo)熱顆粒的形貌以及在基體中的選擇分布形成的復(fù)合材料微相結(jié)構(gòu)對其導(dǎo)熱性能影響。導(dǎo)熱填料的填充量為5％，改變A32和B32的復(fù)配比，并向復(fù)合體系中添加不同形貌的導(dǎo)熱顆粒(P1、R5和L25)，結(jié)果表明當(dāng)A32∶B32=29∶9時，含有L25的復(fù)合體系導(dǎo)熱效果