Page 16 - 《精细化工》2020年第6期
P. 16

·1082·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 37 卷

            体，通常作为热绝缘材料使用              [2-3] 。这是因为聚合物          究进展进行综述，比较分析了各模型之间的异同也
            的相对分子质量大且分子链结构随机扭曲缠绕，导                             总结了数值模拟方法，以期为碳纳米管/聚合物复合
            致大量的声子散射，同时声子传输平均自由程很                              材料的导热性能研究和设计提供参考，也对其他体
            短 [4-5] 。目前主要在聚合物基体中加入导热粒子，以                       系的复合材料导热性能预测有借鉴意义。
                       [6]
            共混的方式 增强其导热性能，拓展其在导热领域
            的应用。                                               1   碳纳米管/聚合物复合材料导热性能预
                 在聚合物复合材料中，碳材料是最常见、使用                             测模型
            最广泛的导热粒子，如石墨烯、炭黑、石墨粉和碳
                                                               1.1   混合规则导热模型
            纳米管(CNTs)材料等。其中，石墨粉和炭黑为非纳
                                                                   混合规则模型根据两相中热流通路传导方向与
            米材料，颗粒尺度较大，对导热性能的提升效果不
                               [7]
            佳；而石墨烯单价高 ，大量使用成本高。CNTs 通                          导热填充粒子尺度方向的平行或垂直两种关系的不
                                                               同，预测复合材料导热性能适用范围为整个复合材
            过分子动力学（MD）模拟计算得出其导热系数高达                              [20-22]
            6000 W/(m·K) [6-8] ，是导热性能较好的材料，且性能                 料     。碳纳米管/聚合物复合材料的串并联模型
                                                               的表达式分别为（3）和（4），热流传导示意如图 1
            稳定，成本低廉。CNTs 作为导热粒子分散在聚合物
                                                               所示。
            中会形成导热通路，使导热系数有效增强 1~2 个数
                                                                                          m
                                                                                    c c
            量级，被视为理想的导热粒子               [9-11] 。复合材料热传                        k eff||    k   k  m     （3）
                                                                                        1
            导依赖于 CNTs 的几何形状、CNTs 与 CNTs 之间的                               k eff                       （4）
            连接方式、色散特征和界面热阻               [12-13] 等因素。ZHOU                       [(  m  /  m  )  ( k    c  k c  )] / 
            等 [14] 制备体积分数（Φ）仅为 0.6%  CNTs 的聚合物                 式中：下标 m 和 c 分别代表聚合物和 CNTs；k eff  ‖
            基相变复合材料，其导热系数增强约 30%。HONE                          是串联模型复合材料体系的有效导热系数；k eff 是
                                                                                                         ⊥
            等 [15] 证实体积分数为 0.1%~0.2%的 CNTs-环氧树脂                并联模型复合材料体系的有效导热系数；k c 和 k m 分
            复合材料，可以有效地形成连续的导热通路，提升                             别为 CNTs 和聚合物基体材料的导热系数；Φ c 、Φ m
                             [9]
            导热性能。CHO 等 研究表明，体积分数为 3.7%的                        分别为 CNTs 和聚合物基体的体积分数。

            CNTs-环氧树脂复合材料，导热性能提高了 2.9 倍。
            由 CNTs 制备聚合物复合材料，其中聚合物种类多
            样，如：聚乙烯、聚苯胺、聚酰胺、环氧树脂和聚
            苯乙烯等，其导热性能测量方法的原理为热线探测
            法 [16] 。除了共混法加入 CNTs 增强聚合物材料的导
            热性能的基础研究之外，应该更进一步深入构建碳
            纳米管/聚合物复合材料导热模型体系理论研究，最

            终能准确地预测碳纳米管/聚合物复合材料的导热
            系数，达到设计聚合物复合材料体积配比的目的                      [17] 。   图 1    碳纳米管/聚合物复合材料平行或垂直热流通路传
                 导热模型的研究起源于大量的实验结果归纳总                                导图
            结的热传导理论：傅立叶定律              [18-19] ，表达式为：          Fig. 1    Conduction diagram of parallel or vertical heat flow
                                                                     path of carbon nanotube polymer composites
                                    dT 
                           Q  kA       qA        （1）
                                    dx                           图 1 中对碳纳米管聚合物复合材料平行或垂直
                              q  k     dT       （2）      关系的热传导机理进行描述，提出符合设想的数学
                                      dx                     计算公式（3）与（4）式。两式的数学逻辑表达了
            式中，Q 是传热面积的导热量；A 是传热面积。该                           导热性能与体积分数（Φ）呈线性关系，但由于 CNTs
            定律定义：当热量在 x 方向上传导时，热流密度 q                          导热系数与聚合物基体之间相差巨大，且在复合材
                 2
            (W/m )与 X 方向上的温度梯度（dT/dx）的比例系数                     料中常出现弯曲和团聚等情况。实验数据表明，当
            为热导率 k，也称为导热系数。基于傅立叶定律对                            Φ=1%时，混合规则模型预测值与实验测量值之间差
            导热系数的定义，结合不同的模型理论方法，形成                             值为 70%，而且 Φ 越大，差值越大            [23] ，且导热性能
            多类型导热模型，如：混合规则导热模型                    [20-22] 、均   与填充 Φ 之间呈非线性关系           [24-26] 。
            质模型、有效介质模型、非均质模型和随机分散模                                 YANG 等  [27] 在前述混合模型基础上，引入平行
            型等。                                                和垂直的连接因子 α p 和 α s ，取值为 α p +α s =1 (0≤α p ≤
                 本文对碳纳米管/聚合物复合材料导热模型研                          1, 0≤α s≤1)。复合材料导热模型公式修整为公式（5）
   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21