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News 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

日期: 2020-05-12
浏览次数: 31

填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

Is Filler Orientation Always Good forThermal Management Performance: A Visualized Study from Experimental Results toSimulative Analysis

Kai Wu#*, Dingyao Liu#, Chuxin Lei, SenXue, Qiang Fu*

 

各向异性填料的取向,包括面内取向或面外取向,极大地拓宽了聚合物复合材料在热管理方面的应用,然而到目前为止,取向所引起的复合材料导热系数的各向异性对材料热管理性能的影响仍然缺乏系统性的研究。在本文中,我们首先采用了一种压制成型逐渐减薄并叠纸的加工方式制备了分别具有面内或面外取向的PP/石墨和PP/石墨烯复合材料,他们沿面内或面外的取向程度可以通过减薄的比例进行有效的调控(如图1)。

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

1. 不同取向结构的PP复合材料制备示意图

然后,我们分别利用Hot-disk法和LFA法测试了样品的表观导热系数,及单向导热系数(面内/面外)。我们发现,随着取向程度的增加,取向方向的导热系数提升非常明显,例如面内取向的PP/石墨复合材料面内的导热系数可以高达4W/mK,然而有趣的是,单一取向方向导热系数的提升同时也带来了垂直于该方向导热系数的下降,不利的结果就是,从Hot-disk法结果来看,取向有时候反而会降低试样的表观导热系数(如图2)。

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

2.Hot-disk法和LFA法的测试机理和测试结果

单从导热系数测试的结果来看,我们无法推断这些试样在实际热管理应用场景中的表现情况。因此,我们自己搭建了一台实验装置,来模拟不同热源情形下,以上复合材料内填料取向形式与复合材料热管理性能的关系(如图3和图4),并希望通过红外热成像的形式将其可视化出来。实验结果发现,针对面热源这种情形(即热源施加在样品的整个平面上),垂直取向的样品表现出了更优异的热管理性能:传热快。而对于点热源这种情况(即热源是样品平面上的某个很小的区域),面内取向的样品反而会表现出较好的热管理性质,主要体现在热传导较快、温度分布均匀。

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

3. 面热源的形式

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

4. 点热源的形式

为了理解这一现象,我们进一步将以上这些情形与有限元模拟进行了结合分析(如图5和图6),从温度分布和热流大小的角度展开了剖析,模拟的结果与实验呈现出了很好的一致性。

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

5. 有限元模拟的温度分布情况

 填料的取向结构是否总是对复合材料热管理性能有利呢,从实验结果到理论模拟的可视化研究来告诉你答案

6. 有限元模拟的热流分布情况

通过这项研究,我们认为,对于制备高性能导热复合材料,单纯地追求某一方向上的高导热系数其实并不可取,因为这类各向异性的材料在实际应用环境中往往并不会表现出预期那么好的热管理性能,这就类似于在生活中我们经常谈及的木板效应。因此,在我们做研究的过程中,我们也应该考虑材料使用的特定应用环境,结合各向异性复合材料传热的特点,设计我们的器件结构,从而达到最优的热管理效果。

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720309219Chemical Engineering Journal


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