高導熱先進復合材料設計制備及應用技術研究.pdf

1、材料腐蝕問題遍及國民經濟的各個領域，尤其在化工、石油、機械、紡織、冶金、航天航空、國防等工業(yè)部門更為突出。腐蝕不僅給社會帶來巨大的經濟損失，造成災難性事故和危及人身安全，耗竭寶貴的資源和能源，污染環(huán)境，而且阻礙了高科技的正常發(fā)展。本文研究的高導熱先進復合材料是一種耐苛性腐蝕介質，并具有良好力學性能、優(yōu)良導熱功能的新材料，可望用于苛性腐蝕環(huán)境下使用的緊湊換熱器的制造。 本文研究的主要內容有：聚合物基導熱材料制備技術；聚合物基導熱材

2、料的熱導率測試技術；聚合物基導熱材料的逾滲導熱模型；高導熱先進復合材料的制備技術；高導熱先進復合材料板翅式換熱器的設計與制備工藝技術。 高導熱先進復合材料是以聚四氟乙烯(PTFE)材料為基體，通過導熱改性和采用碳纖維定向增強復合技術制備的一種新材料，具備以下特點：①優(yōu)良的耐腐蝕性能，使用介質和環(huán)境與聚四氟乙烯材料相仿；②良好的耐熱性能，使用溫度為－100℃～250℃；③良好的導熱性能和換熱效果，復合材料的熱導率是聚四氟乙烯熱導率

3、5倍以上，而且在使用過程中不結垢，能長期保持熱交換能力；④優(yōu)良的綜合力學性能和使用壽命，先進復合材料的拉伸強度是聚四氟乙烯材料的3～5倍，而且沒有聚四氟乙烯的冷流現象，可以作為結構材料使用；⑤良好的加工性能和成型性能，可以進行焊接、熱壓等二次成型，為防腐蝕過程裝備的設計和制造提供了經濟可行的工藝技術。 聚合物基導熱材料的研究，選用聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE)為基材，高導熱性能的石墨、鋁粉和銅粉作為導熱填料進行改性。對導

4、熱材料的導熱和機械性能的試驗證明： PP為基材時，導熱填料的粒徑、含量對材料的導熱性能有明顯的影響，填料的粒徑越小、含量越高，則改性材料的導熱性能越好。如石墨的質量含量由15％增加到60％時，石墨/PP改性材料的熱導率由0.34 W/（m·K）增加到3.1W/（m·K），是純聚丙烯樹脂熱導率的十幾倍，但改性材料的拉伸強度和沖擊強度只有PP材料的一半左右，綜合力學性能下降很多。同樣，對于石墨/PTFE改性導熱材料，石墨的質量含量為30％時

5、，改性材料的熱導率達到1.2W/（m·K），當石墨質量含量為50％時，熱導率提高到2.5W/(m·K) ，是純PTFE樹脂熱導率的10倍以上，但改性材料的拉伸強度只有PTFE材料的25％左右。 盡管添加較多的導熱填料能使聚合物獲得較好的導熱性能，但此時導熱材料的綜合力學性能較低，難以滿足結構或工程上的要求。基于此采用纖維增強復合技術來彌補這個缺陷。首先考慮長纖維增強技術，實驗表明：對于長玻璃纖維增強PP復合材料，纖維長度在20～

6、30mm，纖維含量在25～35％之間，復合材料的沖擊強度可以提高3倍以上，拉伸強度提高2倍以上。對于高導熱、耐苛性的先進復合材料研究，采用連續(xù)碳纖維定向增強復合技術，獲得很好的效果，如連續(xù)碳纖維增強石墨/聚丙烯復合材料，石墨含量50％時，碳纖維含量3～10％時，其拉伸強度達到51～94MPa；連續(xù)碳纖維增強石墨/聚四氟乙烯復合材料，石墨含量30％時，碳纖維含量3～10％時，其拉伸強度達到54～120MPa。 為了準確測量復合材料

7、的導熱率，本文根據熱傳導準穩(wěn)態(tài)理論，與相關單位合作，研制開發(fā)出準穩(wěn)態(tài)法導熱測試儀，能夠較快速測量導熱材料的熱導率，而且工作狀態(tài)穩(wěn)定，測量范圍為0.1～10 W/( m·K)，符合所研究導熱材料的預期設計要求。 在大量實驗測試的基礎上，本文對填充型聚合物基導熱材料的導熱性能和機理進行研究，對各種導熱模型進行了分析，結果表明：目前典型的填充型導熱復合材料的熱導率模型，如Eucken, Bruggeman, Cheng-Vocken,

8、 Ziebland, Nielsen，Agari方程等僅僅適用于填料體積含量較低時的復合材料熱導率的描述，對于高填充(體積含量大于30％)時，模型預測與實驗結果也存在較大的誤差，而且填料含量越高，誤差越大。 根據填料的不同體積含量在聚合物基體內的分布特征和幾何結構，創(chuàng)造性提出填充型聚合物基導熱材料的兩相體系海島－網絡結構模型，并采用逾滲理論建立了導熱復合材料的逾滲熱導率方程： 。 本文研究的熱導率方程與其他模型熱導率方程

9、相比，具有以下特征： ①填料的體積含量V(％)的變化可從0～1，克服了經典的逾滲理論公式要求填料體積含量( )＞0的不足，說明填料體積含量變化與復合材料熱導率變化的連續(xù)性，符合復合材料連續(xù)性的假設。 ②當填料體積含量V＝0時，說明材料為聚合物基體，這時材料的熱導率為聚合物基體的熱導率 ；當填料體積含量V＝ 時，可以得到 ＝ ，即填料臨界體積分數時的復合材料的熱導率為 ；當填料體積含量V＝1時，材料就是填料，其熱導率 ＝

10、，即為填料的熱導率。 ③填料的臨界體積含量 和相對應復合材料的熱導率 可由實驗法或計算法確定，本實驗得到的填料臨界體積分數在0.10～0.25范圍內。 ④逾滲網絡指數n體現填料在聚合物基體中形成逾滲網絡幾何結構的程度，它聚合物基體類型、填料類型、填料形狀和尺寸、填料在聚合物基體中的分布等因素有關，實驗證明，n取值范圍在0～1之間（一般為0.3～0.8）。 ⑤在知道填料的臨界體積含量 和逾滲網絡指數n的情況下，可以

11、在任何填料含量下，對填充型聚合物基復合材料的熱導率進行估算和預測。 通過大量的實驗證明，填料體積含量在0～80％范圍內，逾滲熱導率方程的計算值與實驗結果十分符合。 根據高導熱先進復合材料特征和制備技術，研究了該材料的焊接和熱壓成型等二次成型技術，實驗表明，對于PTFE材料的對接焊接，焊縫系數達0.9，對于高導熱先進復合材料的對接焊接，焊接強度為PTFE材料的0.85～0.87。對于高導熱先進復合材料的搭接焊接，焊縫的抗拉