高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備及應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、材料腐蝕問題遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在化工、石油、機(jī)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(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，造成災(zāi)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(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料是一種耐苛性腐蝕介質(zhì)，并具有良好力學(xué)性能、優(yōu)良導(dǎo)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(nèi)容有：聚合物基導(dǎo)熱材料制備技術(shù)；聚合物基導(dǎo)熱材

2、料的熱導(dǎo)率測(cè)試技術(shù)；聚合物基導(dǎo)熱材料的逾滲導(dǎo)熱模型；高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料的制備技術(shù)；高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料板翅式換熱器的設(shè)計(jì)與制備工藝技術(shù)。 高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料是以聚四氟乙烯(PTFE)材料為基體，通過導(dǎo)熱改性和采用碳纖維定向增強(qiáng)復(fù)合技術(shù)制備的一種新材料，具備以下特點(diǎn)：①優(yōu)良的耐腐蝕性能，使用介質(zhì)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(dǎo)熱性能和換熱效果，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是聚四氟乙烯熱導(dǎo)率

3、5倍以上，而且在使用過程中不結(jié)垢，能長期保持熱交換能力；④優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和使用壽命，先進(jìn)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(xiàn)象，可以作為結(jié)構(gòu)材料使用；⑤良好的加工性能和成型性能，可以進(jìn)行焊接、熱壓等二次成型，為防腐蝕過程裝備的設(shè)計(jì)和制造提供了經(jīng)濟(jì)可行的工藝技術(shù)。 聚合物基導(dǎo)熱材料的研究，選用聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE)為基材，高導(dǎo)熱性能的石墨、鋁粉和銅粉作為導(dǎo)熱填料進(jìn)行改性。對(duì)導(dǎo)

4、熱材料的導(dǎo)熱和機(jī)械性能的試驗(yàn)證明： PP為基材時(shí)，導(dǎo)熱填料的粒徑、含量對(duì)材料的導(dǎo)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(dǎo)熱性能越好。如石墨的質(zhì)量含量由15％增加到60％時(shí)，石墨/PP改性材料的熱導(dǎo)率由0.34 W/（m·K）增加到3.1W/（m·K），是純聚丙烯樹脂熱導(dǎo)率的十幾倍，但改性材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度只有PP材料的一半左右，綜合力學(xué)性能下降很多。同樣，對(duì)于石墨/PTFE改性導(dǎo)熱材料，石墨的質(zhì)量含量為30％時(shí)

5、，改性材料的熱導(dǎo)率達(dá)到1.2W/（m·K），當(dāng)石墨質(zhì)量含量為50％時(shí)，熱導(dǎo)率提高到2.5W/(m·K) ，是純PTFE樹脂熱導(dǎo)率的10倍以上，但改性材料的拉伸強(qiáng)度只有PTFE材料的25％左右。 盡管添加較多的導(dǎo)熱填料能使聚合物獲得較好的導(dǎo)熱性能，但此時(shí)導(dǎo)熱材料的綜合力學(xué)性能較低，難以滿足結(jié)構(gòu)或工程上的要求?；诖瞬捎美w維增強(qiáng)復(fù)合技術(shù)來彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。首先考慮長纖維增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于長玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料，纖維長度在20～

6、30mm，纖維含量在25～35％之間，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度可以提高3倍以上，拉伸強(qiáng)度提高2倍以上。對(duì)于高導(dǎo)熱、耐苛性的先進(jìn)復(fù)合材料研究，采用連續(xù)碳纖維定向增強(qiáng)復(fù)合技術(shù)，獲得很好的效果，如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)石墨/聚丙烯復(fù)合材料，石墨含量50％時(shí)，碳纖維含量3～10％時(shí)，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到51～94MPa；連續(xù)碳纖維增強(qiáng)石墨/聚四氟乙烯復(fù)合材料，石墨含量30％時(shí)，碳纖維含量3～10％時(shí)，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到54～120MPa。 為了準(zhǔn)確測(cè)量復(fù)合材料

7、的導(dǎo)熱率，本文根據(jù)熱傳導(dǎo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論，與相關(guān)單位合作，研制開發(fā)出準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱測(cè)試儀，能夠較快速測(cè)量導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率，而且工作狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)量范圍為0.1～10 W/( m·K)，符合所研究導(dǎo)熱材料的預(yù)期設(shè)計(jì)要求。 在大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，本文對(duì)填充型聚合物基導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能和機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)各種導(dǎo)熱模型進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：目前典型的填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)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(shí)的復(fù)合材料熱導(dǎo)率的描述，對(duì)于高填充(體積含量大于30％)時(shí)，模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在較大的誤差，而且填料含量越高，誤差越大。 根據(jù)填料的不同體積含量在聚合物基體內(nèi)的分布特征和幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性提出填充型聚合物基導(dǎo)熱材料的兩相體系海島－網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，并采用逾滲理論建立了導(dǎo)熱復(fù)合材料的逾滲熱導(dǎo)率方程： 。 本文研究的熱導(dǎo)率方程與其他模型熱導(dǎo)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(jīng)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(fù)合材料熱導(dǎo)率變化的連續(xù)性，符合復(fù)合材料連續(xù)性的假設(shè)。 ②當(dāng)填料體積含量V＝0時(shí)，說明材料為聚合物基體，這時(shí)材料的熱導(dǎo)率為聚合物基體的熱導(dǎo)率 ；當(dāng)填料體積含量V＝ 時(shí)，可以得到 ＝ ，即填料臨界體積分?jǐn)?shù)時(shí)的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為 ；當(dāng)填料體積含量V＝1時(shí)，材料就是填料，其熱導(dǎo)率 ＝

10、，即為填料的熱導(dǎo)率。 ③填料的臨界體積含量 和相對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 可由實(shí)驗(yàn)法或計(jì)算法確定，本實(shí)驗(yàn)得到的填料臨界體積分?jǐn)?shù)在0.10～0.25范圍內(nèi)。 ④逾滲網(wǎng)絡(luò)指數(shù)n體現(xiàn)填料在聚合物基體中形成逾滲網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)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(guān)，實(shí)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)指數(shù)n的情況下，可以

11、在任何填料含量下，對(duì)填充型聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行估算和預(yù)測(cè)。 通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，填料體積含量在0～80％范圍內(nèi)，逾滲熱導(dǎo)率方程的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分符合。 根據(jù)高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料特征和制備技術(shù)，研究了該材料的焊接和熱壓成型等二次成型技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于PTFE材料的對(duì)接焊接，焊縫系數(shù)達(dá)0.9，對(duì)于高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料的對(duì)接焊接，焊接強(qiáng)度為PTFE材料的0.85～0.87。對(duì)于高導(dǎo)熱先進(jìn)復(fù)合材料的搭接焊接，焊縫的抗拉