導熱復合材料制備的案例
西工大顧軍渭教授《Research》：導熱高分子復合材料界面熱障重要研究成果
高分子材料由于輕質、高比強度/比模量、易成型加工、優良的化學穩定性和低成本等，常被用于能源、電氣/電器和電子領域中。但其本體導熱系數低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來，在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下，SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性，以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究，并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究，制備出多種導熱高分子復合材料及制品，完善和發展了其導熱機理。
展開 .》： 復合材料導熱網絡研究取得新進展
導熱填料形成的導熱網絡對提升其復合材料的導熱性能至關重要。一般認為，導熱復合材料的導熱系數（λ）隨導熱網絡的完善而逐漸提高。目前，關于復合材料導熱網絡的研究主要集中在三個方面：導熱網絡何時形成、如何形成，以及導熱網絡對導熱性能的提升機理。導熱網絡何時形成主要涉及導熱網絡形成時的臨界體積計算，主要與導熱填料的幾何形狀和尺寸有關，一般隨其長徑比的增加而減小。如何形成導熱網絡主要涉及導熱網絡的設計構筑，包括設計異質結構導熱填料以促進填料的彼此搭接，預制導熱填料連續搭接骨架形成多維導熱通路，以及加工驅動導熱填料的取向排列等。在導熱網絡促進導熱性能提升機理方面，一般認為導熱填料形成的導熱網絡降低了導熱填料間的界面熱阻，增加了聲子傳輸的通道，同時減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。
但目前鮮有報道導熱網絡中導熱填料通路的數量、長短、貫穿方式及其分布等對復合材料導熱性能影響的研究，以及導熱網絡形成后，復合材料的導熱系數隨導熱填料用量的繼續增加又會呈現什么樣的變化等問題也有待進一步明晰。因此，設計構筑結構、密度、分布可控的導熱網絡，從多角度研究其對復合材料導熱性能的影響，對豐富完善導熱復合材料的導熱機理并指導其實際生產具有重要的理論意義和實際應用價值。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組以液氮瞬冷造粒技術制備出不同粒徑的石蠟球，采用微融覆法在石蠟球表面包覆石墨（旨在石蠟相界面間構筑可控的石墨導熱網絡），進而結合熱壓工藝制備石墨/石蠟導熱復合材料。
展開 自組裝法制備高導熱氮化硼復合材料
來源 | Polymer
01
背景介紹
隨著集成電路芯片和電子設備小型化的快速發展，為防止芯片的熱失控，對熱管理材料提出了更嚴格的要求。此外，電子封裝材料經常會遇到應力破壞和漏電等嚴重問題。因此同時具有出色的電絕緣性和導熱性的熱界面材料成為了重點的研究方向。
然而，導熱系數的提高受到填料的含量和結構的限制。此外，當填充量高時，由于界面相互作用弱和應力集中，復合材料的力學性能往往不理想。高填充量與高強度往往是相互矛盾的，這是復合材料機械加固的經典問題。
為了解決這個問題，研究人員采用不同的方法，如逐層組裝、模板定向組裝、機械輔助壓制和磁場輔助等廣泛發展用于制備納米復合材料。但由于效率低和路線復雜，這些策略無法實現大規模連續制備，這在實際應用中是非常不可取的。
二維BN具有較高的理論導熱系數和優異的絕緣性能，是開發高導熱擬納米復合材料的合適候選填料。但是，由于高慣性和相對較大的厚度，h-BN在溶液中直接自組裝的報道很少。因此，研究h-BN的誘導取向對于實現功能復合材料的規模化制備具有重要意義。
02
成果掠影
近期，華東理工大學材料科學與工程學院的張玲教授在開發一種適合規模化熱界面材料制備技術方向取得新的進展。該團隊受天然珍珠特殊結構和功能的啟發，通過綠色、簡單的蒸發誘導組裝技術，可以大規模制備具有優異導熱系數、高絕緣性和堅固力學性能的納米級CS/BNNS薄膜。
值得注意的是，CS/BNNS薄膜在70 wt%時的拉伸強度高達104.5 MPa, 導熱系數為26.3 W/(m·K)，這是由于其取向良好的結構和強的界面相互作用。
展開 3D打印/FDM工藝制備導熱MWCNT/PLA納米復合材料
因此，開發創新的高導熱材料來解決這一問題具有重要意義，常見的導熱填料如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、金屬顆粒、碳納米管(CNTs)、石墨烯等，已被廣泛用于制備聚合物復合材料，以達到期望的性能。
其中，碳納米管相對于金屬納米填料具有更大的縱橫比和靈活性，可以更好地融入聚合物基體中，以滿足熱管理要求。多壁碳納米管(MWCNT)的導熱系數為2586 ~ 3075 W/(mK) 。然而，在先前的研究中，在聚合物復合材料中加入碳納米管對熱傳導或傳熱能力的增強作用有限。因此，開發一種能夠使得碳納米管在聲子傳輸的潛通道的首選方向上有序排列，以及調整在復合材料中所需的填充位置，這對于實現快速熱傳導的迫切需求是必不可少的。
3D打印，也被稱為增材制造，是一種從3D模型數據一層一層地將材料連接起來制造物體的過程。其中直接墨水直寫(DIW)和熔融層積成型(FDM)正在成為制造聚合物納米復合材料最成功和最廣泛使用的工藝。其中FDM方法是一種簡單的方法，可以制造幾何復雜的三維結構，并可編程宏觀和微觀結構。3D打印的高縱橫比材料可以賦予打印結構特殊的多功能，包括在電氣和熱管理、能量收集、能量存儲和傳感等應用中所需要的功能。
3D打印和碳納米管的結合可以為分層排列的結構編程提供無限的可能性。為了獲得高導熱性的聚合物納米復合材料，最需要的是在聚合物基體中加入大量的填料，并控制填料的取向和位置。3D打印能夠將填料分布在復合材料中具有所需方向的特定位置，有助于形成導熱路徑，并在首選方向上提高導熱性。
02
成果掠影
近期，美國特拉華大學材料科學與工程系的倪超英教授在通過3D打印的方法驗證了該工藝對聚合物導熱性能的影響。
展開 
受“炸牛奶”啟發制備了高導熱LM@BN/PDMS復合材料
(a)六方氮化硼(h-BN)制備的巰基氮化硼(BN-S)結構示意圖;(b) LM@BN核殼微粒和LM@BN/PDMS復合材料的制備示意圖。
圖2. (a) BN和BN- s的SEM圖像;(b) BN和BN- s的FT-IR光譜;(c) BN和BN- s的TGA曲線;(d) BN和BN- s的B原子XPS譜。
圖3.(a) LM@BN結構示意圖;(b) BN-S和LM@BN中N原子的XPS光譜;(c) BN-S和LM@BN的S原子XPS光譜;(d) (i-ii) LMMP和LM@BN的光學顯微鏡照片;(iii-iv) LM@BN核殼微粒的掃描電鏡照片，(v-vi) Ga和N元素的EDS掃描圖。
圖4.(a) LM@BN拉伸過程中復合材料的結構重排;(b)復合材料原始狀態和編程后的顯微組織(i-ii)光學顯微鏡，(i-ii)掃描電鏡;(c)編程后復合材料的導熱系數；(d)導熱系數與體積分數的關系。
圖5
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復合材料的力學性能及其在熱管理中的應用實例
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圖6
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復合材料的介電性能
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圖7
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展開 一種具有取向的BN/UHMWPE導熱復合材料
通過熱界面材料(TIMs)對芯片進行有效的熱管理是改善散熱的有效措施。
聚合物基TIM因其優異的電絕緣性能、輕量化和高穩定性而受到廣泛關注。與普通熱塑性材料相比，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于分子量和纏結大，不存在粘性流動。即使在芯片過熱的極端情況下，基于UHMWPE的TIMs也不會因為熔體流動而對電子元件造成不可逆的損壞，但是其粘度阻礙了基于UHMWPE的復合材料的制造。
雖然石墨、石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳纖維、銀顆粒、銀納米線、銅納米線具有較高的導熱性，但其較差的絕緣特性阻礙了TIMs在芯片封裝領域的推廣應用。氮化硼(BN)在陶瓷填料中導熱系數最高(>250 W/mK)，具有良好的電絕緣性和較低的成本。因此具有制備各向異性復合材料的優勢。
制備取向復合材料的傳統方法，如化學氣相沉積、磁場或電場、冷凍鑄造和真空過濾等，通常效率低下。此外，填料互連性低和三維導熱網絡的結構缺陷嚴重限制了復合材料導熱性能的提高。因此，有必要探索高效的成型方法來制備具有高導熱性的BN/UHMWPE復合材料。
02
成果掠影
近期，華南理工大學機械與汽車工程學院高分子材料先進制造技術與裝備研究所馮彥洪教授在制備具有取向性的導熱材料取得新進展。本研究采用偏心轉子固體擠出機，在低于UHMWPE基體熔化溫度125℃的溫度下，建立定向偏析三維導熱網絡，制備了BN/UHMWPE取向高導熱復合材料。制備的復合材料具有高取向性(取向因子0.826)、高導熱性(6.25 W/mK)、優異的電絕緣性和熱穩定性，以及在29.2 vol% BN負載下的優異成本效益，對電子封裝應用具有吸引力。此外，我們提出了蜂窩導熱模型，可以精確計算取向偏析復合材料的理論導熱系數。
展開 西工大史學濤副教授/顧軍渭教授《J Mater Sci Technol》：導熱高分子復合材料研究成果
玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料（GFRP）具有輕質高強，優異的電絕緣、抗疲勞&耐腐蝕性能，加工成型簡便和生成效率高，以及材料可設計性，已廣泛應用于機械、化工、交通運輸等領域，日益成為國民經濟和國防建設中無可替代的重要材料。然而，玻璃纖維布（GFs）表面活性官能團少，和環氧樹脂基體間的界面相容性差，嚴重影響GFRP的力學性能，尤其是層間剪切強度（ILSS）。此外，GFRP具有較低的面間熱導率（λ┴），也阻礙其成為大型導熱/結構一體化制件發展的瓶頸問題。因此，研究開發高導熱、電絕緣且力學性能優異的GFRP，在改善構件導/散熱問題同時，一定程度延長使用壽命，對大功率電機定子、轉子和絕緣槽等相關領域材料的設計和拓展具有重要的理論指導和實際應用價值。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料（SFPC）”課題組采用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和聚丙烯酸鈉（PAAS）分別對球形微米氮化硼（BNN-30）和氮化硼納米片（BNNS）進行表面功能化改性，通過“靜電自主裝”法制備異質結構BNN-30@BNNS導熱填料，并以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）為原料合成的硅溶膠（Si-sol）對玻璃纖維布（GFs）進行表面功能化改性（Si-GFs），采用“涂覆-鋪層-模壓”工藝制備BNN-30@BNNS/Si-GFs/環氧樹脂（E-44）層壓導熱復合材料。研究結果表明BNN-30和BNNS表面功能化改性成功，并成功制備出結構穩定的異質結構BNN-30@BNNS-Ⅲ導熱填料（fBNN-30與fBNNS質量比為1：2）。
展開 北京化工大學盧詠來教授課題組：基于凝膠多糖及泡沫模板的三維氧化鋁導熱復合材料的制備
現代電子設備對高導熱界面材料的要求越來越高。獲得高熱導率的關鍵是在基體中建立起完整的導熱網絡。
基與上述背景，北京化工大學材料科學與工程學院盧詠來教授課題組采用發泡法，通過對氧化鋁以及凝膠多糖懸浮液進行發泡，利用泡沫將氧化鋁及凝膠多糖排斥到泡孔之間，然后在一定溫度下加熱，發揮凝膠多糖的快速凝膠特性，將導熱通路固定下來。圖1顯示了制備的過程。圖2顯示了形成的導熱通路的結構。
圖1
3D-Al2O3-PDMS
復合材料的制備流程示意圖
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圖
2
氧化鋁骨架材料的
SEM
圖像：
(a-d)
不同氧化鋁含量的氧化鋁骨架材料；
(e-f)骨架材料上的開孔；
(g-i)在氮氣中于500 ℃加熱的氧化鋁骨架材料.
得到導熱骨架材料后，他們通過真空浸漬的方法將PDMS注入到骨架材料的泡孔中，PDMS固化后制得復合材料。圖3是制備的復合材料截面的SEM圖以及EDS圖，它們展示了復合材料中氧化鋁和PDMS的存在狀態。
圖3 3D-Al2O3-PDMS的微觀結構: (a-c) SEM圖片；(d) 3D-Al2O3-PDMS的SEM圖像以及Si、Al和O元素的EDS圖像.
圖4(a)顯示了氧化鋁凝膠復合材料和通過無規共混法制備的復合材料它們的熱導率對氧化鋁負載量的依賴性。通過兩種方法制備的復合材料的熱導率都隨著氧化鋁質量分數的提高而逐漸增大。當填料的質量分數逐漸增大，填料逐漸在基體中構建起導熱通路，使得聲子由交替通過基體和填料的方式，逐漸轉向更多地在連接起來的填料網絡中通過。
展開 導熱吸波材料研究進展
Min 等通過磁場的誘導制備具有粒子平行排布取向的片狀羰基鐵/環氧樹脂復合材料，極大的提高了低頻和寬頻范圍內的磁導率。
03
導熱吸波復合材料的制備
由薄層復合材料的導熱和吸波機制可知，要制備性能優異的導熱吸波復合材料，需要考慮多種因素的影響。針對此問題，國內外研究者從單一的導熱和吸波復合材料開發思路入手，通過研究功能填料組分、顆粒尺寸、分布狀態以及成型工藝等多因素之間的影響關系，綜合分析各因素對復合材料導熱吸波性能的影響，試圖獲得具有實際指導價值的調控機制和方法。
3.1 傳統雙功能填料導熱吸波復合材料
雙功能填料導熱吸波材料的制備方法較為簡單、常規，而且是目前導熱吸波材料最為廣泛的設計制備方法。通過控制 2 種類型填料在基體中的配比可以制備性能良好的導熱吸波復合材料，例如 Wang 等分別以羰基鐵粉和氧化鋁粉作為功能填料、丁J橡膠作為基材制備了系列導熱吸波復合貼片，對羰基鐵粉和氧化鋁粉用量的比例進行了研究，不同填充比例如表 1 所示，實驗結果表明，當羰基鐵粉與氧化鋁按比例 1:1 填充時，所制備的導熱吸波復合貼片材料具有較高的熱導率值，為 1.66 W/(m·K)，同時具有良好的吸波性能，厚度為 2 mm 時，在 9.9 GHz 頻率處具有-19.8 dB的反射損耗峰值，在反射損耗-10 dB 以下的帶寬達到 3.54 GHz，表現出寬帶強吸收特性。
展開 熱管理用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料研究進展
來源 | 無機材料學報
作者 | 陳強，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學 空天科學學院，材料科學與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復合材料以其高比強度、高比模量、高導熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應用于航空航天、摩擦制動、核聚變等領域，成為先進的高溫結構及功能材料。本文綜述了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料制備及性能等方面的最新研究進展。研究通過引入高導熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強熱輸運能力；優化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結晶度更高、導熱性能更好的碳化硅基體；設計預制體結構用以建立連續導熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復合材料的熱導率。此外，本文展望了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料后續研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復合材料性能要素，優化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導熱碳化硅陶瓷基復合材料導熱機理，靈活運用復合材料結構與性能的構效關系，以期制備尺寸穩定、具有優異熱物理性能的各向同性高導熱碳化硅陶瓷基復合材料。
展開 氧化鋁在導熱絕緣高分子復合材料中的應用
需要開發導熱絕緣高分子復合材料替代傳統高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發熱元件熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。
1.填料的導熱機理
高分子材料本身的熱傳導系數比較小 ，所以填充型高分子復合材料導熱性能主要依賴于填充物的導熱系數，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態，即形成導熱網鏈。當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。
制造具有優良綜合性能的導熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導率的結構聚合物；另一種是在聚合物中填充高導熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應用于絕緣導熱高分子復合材料。
2 氧化鋁的形態及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導熱絕緣材料的特點
具有導熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導率分別見表1。實驗研究證明，當填料與基體熱導率之比大于100時。提高填料導熱系數已意義不大。這 就意味著應用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導熱性能的電絕緣復合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導熱率不高，但是其價格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨使用或與其他填料混合使用。
展開 
用于熱管理的分層導熱聚合物納米復合材料
來源 | Applied Materials Today
01
背景介紹
由于固體材料的導熱系數與電氣系統的溫度變化成反比，這就要求導熱材料表現出與溫度相適應的熱傳輸能力，并集成到動態負載條件的電氣系統的熱管理中。管理電導體中的熱量是滿足能源可持續使用和電力可靠性需求的一個主要挑戰，尤其是在電力電子設備和能源關鍵型電機中更為重要。要實現這些不同的功能，如熱可靠性和電可靠性，就需要合理地設計導熱材料的結構。
02
成果掠影
近期，布法羅大學Shenqiang Ren研究團隊提出了分層導熱納米復合材料，由納米結構陶瓷共形涂層和混合排列的超高分子量聚乙烯纖維組成，可定制電導體的散熱。混合排列的熱界面具有非常理想的各向異性高導熱系數，可達0.98W/mK，介電強度為3.4。此外，電隔熱界面在動態負載條件下表現出高性能和可靠的電氣系統。在相同的電負載下，非均勻陶瓷-聚合物封裝導體的表面溫度比聚合物封裝導體低17.8℃。研究成果以“Hierarchical thermal-conductive polymer nanocomposites for thermal management”為題發表于《Applied Materials Today》。
03
圖文導讀
圖1 a. 由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和陶瓷涂層組成的導熱材料示意圖。(I)排列UHMWPE纖維。（II）陶瓷涂層UHMWPE纖維。（III）異質陶瓷UHMWPE薄膜。（IV）異質薄膜涂層銅線。
展開 具有優異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
熱管理在現代工業和技術中發揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。
展開 用于電池熱管理的高導熱柔性復合相變材料
根據傳輸介質的不同，目前已深入研究了空氣冷卻、液體冷卻和相變材料（PCM）冷卻三種冷卻方法。在這些方法中，空氣和液體冷卻作為主動冷卻方法通常需要額外的設備、大空間、高消耗并且增加電動汽車的重量。相比之下，PCM作為被動冷卻方法，具有潛熱高、無需額外動力設備、成本低等優點，近年來備受關注。復合相變材料（CPCM）作為被動電池熱管理系統（BTMS）仍然面臨著易泄漏、高剛性和低導熱率等諸多挑戰。
02
成果掠影
近期，廣東工業大學材料與能源學院李新喜老師團隊提出了一種具有高抗滲漏和導熱性能的多功能柔性CPCM，利用聚乙二醇和六亞甲基二異氰酸酯的聚合和交聯反應從本質上解決了CPCM的滲漏問題。結果表明，CPCM表現出優異的抗滲漏和彈性性能。
特別是在3wt%氮化鋁和 2 wt% 碳納米管的協同作用下，CPCM的導熱系數明顯提高了2.8倍。此外，采用多功能柔性CPCM的電池模塊即使在1.5C放電倍率下最高溫度也能控制在45℃以下，相應溫差保持在4.3℃以內。憑借這些優異的性能，多功能柔性PEAC可以為提高應用中電池組的熱安全性提供有效的解決方案，這將顯著促進電動汽車的發展。
研究成果以“Multifunctional flexible composite phase change material with high anti-leakage and thermal conductivity performances for battery thermal management”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
展開 一種3D結構復合材料的導熱系數模擬計算方法
來源 | Thermal Science and Engineering Progress
01
背景介紹
復合材料結構的有效導熱系數取決于許多變量，包括不同相的固有特性、微觀結構和不同相之間的界面。建模方法，包括理論和仿真方法，是理解這些因素對復合材料性能影響的有力工具。特別是，仿真模型能夠解決需要昂貴、耗時和難以重現的實驗過程的情況。此外，大型的微觀結構和性能模擬數據集可以豐富有限的實驗數據，從而實現數據驅動的復合材料設計。
滲透路徑以及復合材料的組分和界面性質決定了復合材料的輸運性質。滲流理論與區域內截斷網絡的形成有關，這有利于熱通量通過遠程連通性轉移。根據實驗觀察，當顆粒體積分數超過一定值時，復合材料結構的有效導熱系數急劇增加。這是復合結構中形成滲透路徑的點，稱為滲透閾值。換句話說，根據實驗和數值研究的觀察結果，有效導熱系數隨顆粒含量增加的增強是非線性的。
蒙特卡羅模擬是一種眾所周知的理論預測隨機或均勻分布結構中滲透閾值的策略，在以往對不同孔隙形狀、顆粒形狀和縱橫比的復合材料結構的研究中得到了廣泛應用。在某些情況下，有效導熱系數的顯著增強并不會隨著高導熱系數顆粒體積分數的增加而發生。此外，滲流路徑受到界面熱阻的強烈影響，而界面熱阻來源于該區域的界面聲子散射。因此，在計算有效導熱系數時，必須同時考慮界面熱阻和滲流的發生。
對于復合材料的有效導熱系數的預測，已有幾種解析和數值方法。分析方法如Maxwell和Bruggeman模型，易于使用，但不考慮復合材料中材料分布的細節。相比之下，基于求解偏微分方程(PDE)的數值方法，如有限元法(FEM)，能夠考慮復合材料中顆粒的形態和分布，但計算成本非常高。
展開 