粒子填充聚合物基复合材料导热性能的数值模拟

复舍材料学报

砒彳么嗍溉‰吧触渤∞玩砒∞第２６卷第１期２月２００９年

ＶｏＬ２６Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００９文章编号；１０００—３８５１（２００９）０１—００３６—０７

粒子填充聚合物基复合材料导热性能的数值模拟

刘加奇１，张立群１’２，杨海波１，丁雪佳１，陈琪１，卢咏来¨

（Ｉ．北京化３－大学北京市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室北京１０００２９；

２．北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室，北京１０００２９）摘要：根据电镜照片中观察的微观结构信息，基于两套新设计的算法建立了代表体积元（ＲＶＥ）模型，基于此模型研究了粒子填充聚合物基复合材料的导热性能与微观结构的关系。通过对电镜照片的处理得到两个参数即稀疏区比重和稀疏区半径，建立了与实际体系相符的具有非均匀粒子分布结构的ＲＶＥ模型。制备了氧化铝／高温硫化硅橡胶导热复合材料，并测试了不同填充量下体系的热导率，用以验证模型的有效性。采用有限元方法求解ＲＶＥ模型得到的热导率预测值与实验值进行对比，结果表明：填料用量在宽范围内预测结果与实验值均吻合很好；与均匀分布或随机分布相比，存在稀疏区和富集区的非均匀分布的体系具有更高的热导率，这种差异在高填充量下当颗粒间形成导热网链时更为显著；在相同填充量下，不同的粒子空间分布结构可使体系热导率差别很大，是影响体系热导率的关键因素。

关键词：导热复合材料；热导率；非均匀粒子空间分布；代表体积元模型，有限元；导热硅橡胶

中图分类号：ＴＢ３３２文献标志码：Ａ

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聚合物基无机粒子填充导热复合材料结合了聚合物的优越力学性能和填充粒子的高导热性的优点，以其廉价、多样、灵活的可设计性，得到了深入研究与广泛应用。作为粒子填充的导热体系，影响复合材料热导率的因素众多，如填料与聚合物基体的热导率，填料填充体积分数、颗粒形状、粒径及粒径分布，填料在基体中的分散情况以及填料与基体的结合程度等。

Ｚｈｏｕ¨１等分别研究了氧化铝填充硅橡胶体系中填料用量、粒径大小、不同粒径填料混杂等因素

收稿日期：２００８—０ｌ一０７；收修改稿日期：２００８－０４－２８

基金项目：北京市科技新星计划（２００６Ａ１５）；北京市自然科学基金项目（２０８２０１９）；北京化工大学青年教师自然科学基金（ＱＮ０５０７），国家杰出青年科学基金（５０７２５３１０）

通讯作者：卢咏来，副教授，研究方向：功能弹性体、聚合物加工工程Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｙｏｎｇｌａｉ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｔｏｍ万方数据