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金属/聚合物复合结构对材料导热性能的影响研究

作　者: 杨方沁
导　师: 钱欣
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: 金属/聚合物复合结构导热性能有限元分析实验验证
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在电子信息、电气工程和换热工程等领域,对导热材料提出更高的要求,要求其具有导热系数高、电绝缘性能优良,耐化学腐蚀性好和力学性能良好等特点。金属材料导热系数高、力学性能好,但是电绝缘性能和耐腐蚀性能差。高分子材料则与之相反,其电绝缘性能优良、耐腐蚀性能好,但导热系数低、力学性能差。针对上述领域对导热材料的要求,目前国内外的研究主要是通过在高分子材料中填充高导热绝缘填料(如金属氧化物、金属氮化物)形成导热网链的方法来提高其导热能力,该方法加工方便,制作简单,对高分子材料的导热能力提高有限,由于需要填充大量导热绝缘填料,致使复合材料的拉伸性能和冲击性能严重下降。本课题针对目前导热高分子材料存在的问题,结合金属材料和高分子材料的优点,以不饱和聚酯(UP)为基体,以金属丝(课题以钢丝、铝丝和铜丝等作为研究对象)作为导热网络结构,制成金属／聚合物复合结构导热材料。课题首先用Pro/E软件建立一个60×50×40毫米的方状模型,在模型底部设钢质加热片,在模型的垂直和水平方向上内嵌若干金属丝,然后将该模型导入ANSYS有限元软件进行稳态热分析,通过分析模型的最高温度的方法,研究金属丝直径、材料及排布对复合材料导热性能的影响。最后,对不同钢丝直径和排布的实际样品进行实验验证。以下结论可以得出：(1)模拟和实验结果表明,金属导热网络的存在显著提高复合材料的导热性能。随着金属丝直径的增大,复合材料的导热能力随之提高,复合材料的等效导热系数是纯UP的2-4倍,模型的实验温度值与模拟温度值的温度误差为6.08%；(2)模拟结果表明,在复合材料中,金属材料的导热系数越高,该复合材料的导热能力越好。金属材料为铜丝时,复合材料等效导热系数约为0.74W/m-K,是纯UP的3倍多。但是当金属材料的导热系数达到237W/m·K以后,对该复合材料的导热能力影响不再明显。(3)模拟和实验结果表明,垂直方向金属丝数量对复合材料的导热能力的影响明显,垂直方向排布8根和24根钢丝的模型的等效导热系数分别约为0.35W/m·K和0.52W/m·K。水平方向的金属丝数量对复合材料的导热能力的影响很小,不同排布的模型等效导热系数均约为0.42W/m·K。垂直方向和水平方向的实验值和模拟值平均误差分别为3.33%和4.42%

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 导热聚合物概述  11-14
    1.2.1 导热聚合物简介  11-12
    1.2.2 导热聚合物研究现状  12-14
  1.3 金属/聚合物复合材料概述  14-16
    1.3.1 金属/聚合物复合材料简介  14-15
    1.3.2 金属/聚合物复合材料研究概况  15-16
      1.3.2.1 金属/聚合物复合材料力学性能研究  15-16
      1.3.2.2 金属/聚合物复合材料导热研究  16
  1.4 CAE在导热分析中的应用  16-18
  1.5 论文研究的目的和内容  18-20
    1.5.1 研究目的  18
    1.5.2 研究内容  18-20
第二章复合材料导热性能的仿真分析  20-42
  2.1 引言  20
  2.2 导热理论基础  20-22
    2.2.1 热传导  21
    2.2.2 热对流  21-22
    2.2.3 热辐射  22
    2.2.4 稳态传热  22
  2.3 复合材料ANSYS热分析的模型建立与条件设置  22-27
    2.3.1 ANSYS分析假设  22-23
    2.3.2 分析模型  23-24
      2.3.2.1 建模软件的选择  23
      2.3.2.2 分析模型  23-24
    2.3.3 仿真分析网格划分  24-26
      2.3.3.1 网格单元类型的选择  24-25
      2.3.3.2 网格划分  25-26
    2.3.4 材料属性  26
    2.3.5 边界条件  26-27
  2.4 复合材料仿真分析结果与讨论  27-40
    2.4.1 网格划分与模型选取分析  27-29
    2.4.2 材料的导热系数与最高温度的关系  29-30
    2.4.3 金属丝直径对复合材料导热性能的影响  30-33
    2.4.4 金属丝材料对复合材料导热性能的影响  33-36
    2.4.5 金属丝排布对复合材料导热性能的影响  36-40
      2.4.5.1 金属丝垂直方向排布对复合材料导热性能的影响  36-38
      2.4.5.2 金属丝水平方向排布对复合材料导热性能的影响  38-40
  2.5 本章小结  40-42
第三章复合材料导热性能的实验验证  42-53
  3.1 引言  42
  3.2 实验部分  42-46
    3.2.1 实验原料及试剂  42
    3.2.2 实验仪器和设备  42-43
    3.2.3 复合材料的制备  43-45
      3.2.3.1 固化剂促进剂用量  43-44
      3.2.3.2 样品制备  44-45
    3.2.4 复合材料导热性能的测试  45-46
  3.3 结果与讨论  46-52
    3.3.1 钢丝对材料导热能力的影响  46-48
    3.3.2 钢丝直径对材料导热性能的影响  48-49
    3.3.3 钢丝排布对材料导热性能的影响  49-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章总结与展望  53-55
  4.1 总结  53-54
  4.2 创新点  54
  4.3 展望  54-55
参考文献  55-59
致谢  59-60
攻读硕士期间发表的论文  60

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