巴基紙基復合材料導熱性能模擬

張阿櫻， 呂海寶

(1.哈爾濱學院 圖書館, 黑龍江 哈爾濱 150086； 2.哈爾濱工業(yè)大學 復合材料與結(jié)構(gòu)研究所, 黑龍江 哈爾濱150001)

巴基紙基復合材料導熱性能模擬

張阿櫻1,2， 呂海寶2

(1.哈爾濱學院 圖書館, 黑龍江 哈爾濱 150086； 2.哈爾濱工業(yè)大學 復合材料與結(jié)構(gòu)研究所, 黑龍江 哈爾濱150001)

為了優(yōu)化設計巴基紙/SMP復合材料的加熱工況及巴基紙形狀，本文采用有限元軟件FLUENT分析了不同工況條件下正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料的熱傳導性能。研究結(jié)果表明：加熱功率相同時，正弦形巴基紙/SMP復合材料的溫度相對較低，溫度分布均勻性較好。相同體積內(nèi)熱源作用下，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度相對略高；但是正弦形及直線形巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時，最高溫度和最低溫度的溫差基本相同，遠小于相同加熱功率作用下正弦形及直線形巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度和最低溫度的溫差。說明巴基紙基復合材料加熱的均勻性主要取決于巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源，而不是加熱功率。分析認為，巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源越小，巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度越低，溫度分布越均勻。

納米復合材料； 溫度分布； 有限元分析； 熱學性能； 巴基紙

碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)被認為是終極的增強纖維，具有高長徑比、低密度、高比表面積及優(yōu)異的導電性能、力學性能、熱學性能和化學穩(wěn)定性等特點[1-3]。Yu等實驗測量單壁碳納米管(single-walledcarbon nanotubes, SWCNTs)的熱導率值達到3 500 W/(m·K)[4]，導熱系數(shù)超過了金剛石和石墨。Fujii等采用實驗方法對單根多壁碳納米管熱導率的測量值為2 000 W/(m·K)[5]。Hone等測量結(jié)果表明單根單壁碳納米管的軸向熱導率為1 800～6 000 W/(m·K)[6]。由納米材料為增強相、以聚合物基體作為連續(xù)相制備的聚合物基納米復合材料具有許多常規(guī)聚合物基復合材料無法比擬的優(yōu)異的物理和化學性能。謝璠等研究表明：多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)的含量為2%時，多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂基復合材料的熱導率達到1.161 W/(m·K)，復合材料的熱導率比純環(huán)氧樹脂基體熱導率提高了約6倍[7]。Zied等指出，碳納米管質(zhì)量百分含量為1%時，理論上計算納米管/復合材料的導熱率是純聚合物基體導熱率的10倍[8]。但是，當碳納米管的摻量增大時，聚合物的粘度會增大，導致碳納米管在聚合物基體中均勻分散難度也增大；并且由于CNTs在聚合物基體中有強烈的聚集傾向，因此納米材料在復合材料中難以形成有效的網(wǎng)絡通路。此外，碳納米管具有化學惰性影響了其與聚合物基體間的相互作用和界面強度[9-11]。

由于將納米材料和聚合物直接混合成型難以獲得結(jié)構(gòu)可控、性能優(yōu)異的功能性納米復合材料，研究人員提出一個較好的解決方法是采用碳納米管及碳納米纖維等納米材料制作宏觀形式上紙狀物，即巴基紙(buckypaper, BP)[12-14]。將巴基紙作為增強相與聚合物基體復合制備出巴基紙/聚合物基復合材料[11,15]，此方法能夠有效克服碳納米管在基體中分散不均勻及聚合物粘度增大等問題。巴基紙基復合材料在導電、防火、防雷擊等領域具有廣泛的應用前景。如能實現(xiàn)對巴基紙的有效控制，還可使其成為傳感器及功能材料。由巴基紙與形狀記憶聚合物(shape-memory polymer, SMP)制備的熱敏性電致驅(qū)動納米復合材料中，巴基紙通電后產(chǎn)生的電阻熱傳導至聚合物基體，當溫度達到發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變溫度時，即觸發(fā)了形狀記憶效應，使巴基紙/形狀記憶聚合物基復合材料實現(xiàn)電致驅(qū)動。此外，納米復合材料廣泛地應用于航空航天飛行器中，由于航空航天結(jié)構(gòu)材料的工作環(huán)境復雜，導熱性能成為影響納米復合材料結(jié)構(gòu)件性能的重要因素之一，因此對納米復合材料在設計及制造過程中進行熱學性能分析變得日益重要。

目前，關于巴基紙及其復合材料的力學性能和導電性能的研究相對較多，關于熱學性能方面的研究則比較少，一些學者對聚合物基納米復合材料的性能進行了建模研究[16-27]，然而采用有限元軟件FLUENT對巴基紙/SMP復合材料熱學性能進行分析的極為少見。本文為了研究巴基紙加熱片形狀及單位體積內(nèi)熱源等因素對巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度分布的影響規(guī)律，采用有限元軟件FLUENT分析了不同工況條件下正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料的熱傳導性能，為合理地設計巴基紙加熱片形狀控制、尺寸參數(shù)及加熱工況提供理論依據(jù)。

1 建立模型

圖1為直線形巴基紙加熱片對聚合物基體的加熱模型，L、T、w分別為聚合物基體的長度、厚度和寬度，d為巴基紙加熱片的厚度。假設加熱裝置靜置于空氣中，散熱方式為自然對流。接通電源后巴基紙加熱片產(chǎn)生的熱量使聚合物基體溫度升高。通過自然對流散熱，在一定時間后整個裝置逐漸達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 加熱試驗裝置示意圖Fig.1 Images of heating experimental device

圖2為采用的建模軟件PROE 5.0建立的正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料的幾何模型，模型中正弦形巴基紙加熱片呈5個彎曲周期，每個彎曲周期為120 mm，即模型總長度為600 mm；正弦形巴基紙加熱片的振幅為30 mm，模型總高度為100 mm，模型總寬度為50 mm。直線形巴基紙/SMP復合材料幾何模型，模型長度、寬度及高度分別為600、50及100 mm。

圖2 巴基紙基復合材料幾何模型Fig.2 Geometric model of composites reinforced by buckypaper

巴基紙及SMP聚合物基體的參數(shù)如表1所示。

表1 巴基紙及聚合物基體參數(shù)Table 1 Parameters of buckypaper and polymer matrix

采用有限元軟件FLUENT模擬巴基紙加熱片對SMP聚合物基體加熱過程的計算中，自然對流換熱系數(shù)設為10 W/(m2·K)，環(huán)境溫度設為300 K；加熱功率分別設為15、25、50 W，巴基紙厚度設為10 mm。

2 結(jié)果與討論

采用有限元軟件FLUENT分別分析了巴基紙加熱片形狀控制及單位體積內(nèi)熱源等因素對巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度分布的影響規(guī)律。

2.1巴基紙加熱片形狀的影響

表2為巴基紙加熱片的厚度為10 mm、加熱功率為25 W的工況條件下，有限元軟件FLUENT模擬分析的正弦形巴基紙/SMP復合材料及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時在z=0中心截面上典型溫度分布。

表2不同形狀巴基紙基復合材料在z=0截面的典型溫度

Table2Typicaltemperatureofcompositesreinforcedbydifferentshapebuckypaperalongthesectionz=0

巴基紙形狀Tmax/KTmin/KTave/K正弦彎曲350.65301.41328.22直線形365.10301.71330.40

如表2所示，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時平均溫度(Tave=328.22 K)、最高溫度(Tmax=350.65 K)、最低溫度(Tmin=301.41 K)均低于直線形巴基紙/SMP復合材料的平均溫度(Tave=330.40 K)、最高溫度(Tmax=365.10 K)、最低溫度(Tmin=301.71 K)。計算結(jié)果表明:相同的加熱功率作用下，與直線形巴基紙/SMP復合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時典型溫度整體偏低。這是由于正弦形巴基紙加熱片的長度相對較大，因此在相同加熱功率作用下，正弦形巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源較小，導致正弦形巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時整體溫度偏低。

圖3、4分別為有限元軟件FLUENT模擬分析的正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時在z=0中心截面及外表面的溫度分布云圖。由圖3、4可知，與直線形巴基紙/SMP復合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度相對較低，且溫度分布均勻性相對較好。由表2可知，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度和最低溫度的溫差約為49 K，而直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度和最低溫度的溫差約為63 K，最高溫度和最低溫度的溫差可反映溫度分布的均勻性。

圖3 不同形狀巴基紙基復合材料在z=0截面溫度分布云圖Fig.3 Temperature cloudy map of nanocomposite reinforced by different shape buckypaper along the section z=0

圖4 不同形狀巴基紙基復合材料在外表面溫度分布云圖Fig.4 Temperature cloudy map of nanocomposite reinforced by different shape buckypaper along the outer surface

分析結(jié)果表明，雖然直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時溫度相對較高，但是溫度分布均勻性相對較差。此外，當巴基紙基復合材料溫度分布不均勻時，復合材料內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力，可導致其機械性能下降。因此可以根據(jù)實際需求是側(cè)重要求溫度還是力學性能來選擇相應的巴基紙加熱片的形狀。

2.2單位體積內(nèi)熱源的影響

表3為巴基紙加熱片的厚度為10 mm、單位為體積內(nèi)熱源為50 000 W/m3的工況條件下，有限元軟件FLUENT模擬分析的正弦形巴基紙/SMP復合材料及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時在z=0中心截面上典型溫度分布。從表3中可以看出，相同體積內(nèi)熱源作用下，和直線形巴基紙/SMP復合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時其最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)和平均溫度(Tave)均相對略高。此外，由表3可知，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度(Tmax=340.83 K)和最低溫度(Tmin=301.14 K)的溫差約為39 K，直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度(Tmax=339.05 K) 和最低溫度 (Tmin=300.94 K)的溫差也約為39 K。遠小于表2中相同加熱功率(25 W)作用下正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度(Tmax)和最低溫度(Tmin)的溫差(分別為49 K和63 K)。說明加熱的均勻性主要取決于巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源，而不是加熱功率。

表3不同形狀巴基紙基復合材料在z=0截面典型溫度

Table3Typicaltemperatureofnanocompositereinforcedbydifferentshapebuckypaperalongthesectionz=0

巴基紙形狀Tmax/KTmin/KTave/K正弦彎曲340.83301.14322.76直線形339.05300.94318.24

圖5為FLUENT模擬的相同體積內(nèi)熱源作用下，正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時在z=0截面的溫度分布云圖。

圖5 相同單位體積內(nèi)熱源作用下不同形狀巴基紙基復合材料在z=0截面溫度云圖Fig.5 Temperature cloudy map of nanocomposite reinforced by different shape buckypaper along the section z=0 under the same internal thermal source of unit volume

由圖5可知，相同體積內(nèi)熱源作用下，正弦形及直線形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時在z=0中心截面的溫度分布較為均勻。

3 結(jié)論

1) 相同加熱功率作用下，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度、最低溫度及平均溫度相對較低，且溫度分布均勻性較好。這是由于相同加熱功率作用下，正弦形巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源相對較小。

2) 相同體積內(nèi)熱源作用下，正弦形巴基紙/SMP復合材料達到穩(wěn)態(tài)時典型溫度相對略高；且正弦形及直線形巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度和最低溫度的溫差基本相同，遠小于相同加熱功率作用下正弦形及直線形巴基紙基復合材料達到穩(wěn)態(tài)時最高溫度和最低溫度的溫差。說明巴基紙基復合材料加熱的均勻性主要取決于巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源，而不是加熱功率。

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本文引用格式：

張阿櫻， 呂海寶. 巴基紙基復合材料導熱性能模擬[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(11): 1812-1816.

ZHANG Aying, LYU Haibao. Simulation analysis on thermal conductivity of composites reinforced by buckypaper[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1812-1816.

Simulationanalysisonthermalconductivityofcompositesreinforcedbybuckypaper

ZHANG Aying1,2, LYU Haibao2

(1.Library, Harbin University, Harbin 150086, China; 2.Center for Composite Materials and Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To determine the optimum design shape of buckypaper and the heating conditions of Buckypaper/SMP composites, the finite element software FLUENT is used to analyze thermal conductivity of the composites reinforced by sinusoidal and line buckypaper under different working conditions. Results show that the temperature of the composites reinforced by sinusoidal buckypaper is lower than that with line buckypaper and that the temperature distribution is more even under the same heating power. Under the same internal heat source per unit volume, the temperature of the composites reinforced by sinusoidal buckypaper is higher when reaching the steady state, but the temperature difference between the highest and lowest temperatures is almost the same for the sinusoidal and line buckypaper when reaching the steady state, which is much lower than that determined under the same heating power. This result implies that the heating uniformity of the composites reinforced by buckypaper mainly depends on the heat source per unit volume of buckypaper heating sheets but does not depend on the heating power. Therefore, when the heat source per unit volume is small, the composites reinforced by buckypaper reach a steady state at a low temperature, and the temperature distribution is even.

nanocomposite; temperature distribution; finite element analysis; thermal properties; buckypaper

10.11990/jheu.201610001

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170428.1313.014.html

TB332

A

1006-7043(2017)11-1812-05

2016-10-01.

網(wǎng)絡出版日期：2017-04-28.

黑龍江省博士后科研啟動項目(LBH-Q16141)；黑龍江省自然科學基金項目(E201454).

張阿櫻(1973-), 女, 高級工程師, 博士后；

呂海寶(1979-), 男, 教授,博士生導師.

張阿櫻, E-mail: zaying@sina.com.