張阿櫻， 呂海寶

(1.哈爾濱學(xué)院 圖書(shū)館, 黑龍江 哈爾濱 150086； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所, 黑龍江 哈爾濱150001)

巴基紙基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能模擬

張阿櫻1,2， 呂海寶2

(1.哈爾濱學(xué)院 圖書(shū)館, 黑龍江 哈爾濱 150086； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所, 黑龍江 哈爾濱150001)

為了優(yōu)化設(shè)計(jì)巴基紙/SMP復(fù)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(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能。研究結(jié)果表明：加熱功率相同時(shí)，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料的溫度相對(duì)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度相對(duì)略高；但是正弦形及直線形巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，最高溫度和最低溫度的溫差基本相同，遠(yuǎn)小于相同加熱功率作用下正弦形及直線形巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度和最低溫度的溫差。說(shuō)明巴基紙基復(fù)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(rèn)為，巴基紙加熱片的單位體積內(nèi)熱源越小，巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度越低，溫度分布越均勻。

納米復(fù)合材料； 溫度分布； 有限元分析； 熱學(xué)性能； 巴基紙

碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)被認(rèn)為是終極的增強(qiáng)纖維，具有高長(zhǎng)徑比、低密度、高比表面積及優(yōu)異的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)[1-3]。Yu等實(shí)驗(yàn)測(cè)量單壁碳納米管(single-walledcarbon nanotubes, SWCNTs)的熱導(dǎo)率值達(dá)到3 500 W/(m·K)[4]，導(dǎo)熱系數(shù)超過(guò)了金剛石和石墨。Fujii等采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)單根多壁碳納米管熱導(dǎo)率的測(cè)量值為2 000 W/(m·K)[5]。Hone等測(cè)量結(jié)果表明單根單壁碳納米管的軸向熱導(dǎo)率為1 800～6 000 W/(m·K)[6]。由納米材料為增強(qiáng)相、以聚合物基體作為連續(xù)相制備的聚合物基納米復(fù)合材料具有許多常規(guī)聚合物基復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)異的物理和化學(xué)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(shí)，多壁碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到1.161 W/(m·K)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純環(huán)氧樹(shù)脂基體熱導(dǎo)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(shí)，理論上計(jì)算納米管/復(fù)合材料的導(dǎo)熱率是純聚合物基體導(dǎo)熱率的10倍[8]。但是，當(dāng)碳納米管的摻量增大時(shí)，聚合物的粘度會(huì)增大，導(dǎo)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(qiáng)烈的聚集傾向，因此納米材料在復(fù)合材料中難以形成有效的網(wǎng)絡(luò)通路。此外，碳納米管具有化學(xué)惰性影響了其與聚合物基體間的相互作用和界面強(qiáng)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(fù)合材料，研究人員提出一個(gè)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(qiáng)相與聚合物基體復(fù)合制備出巴基紙/聚合物基復(fù)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(wèn)題。巴基紙基復(fù)合材料在導(dǎo)電、防火、防雷擊等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。如能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)納米復(fù)合材料中，巴基紙通電后產(chǎn)生的電阻熱傳導(dǎo)至聚合物基體，當(dāng)溫度達(dá)到發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，即觸發(fā)了形狀記憶效應(yīng)，使巴基紙/形狀記憶聚合物基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)電致驅(qū)動(dòng)。此外，納米復(fù)合材料廣泛地應(yīng)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(fù)雜，導(dǎo)熱性能成為影響納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件性能的重要因素之一，因此對(duì)納米復(fù)合材料在設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中進(jìn)行熱學(xué)性能分析變得日益重要。

目前，關(guān)于巴基紙及其復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的研究相對(duì)較多，關(guān)于熱學(xué)性能方面的研究則比較少，一些學(xué)者對(duì)聚合物基納米復(fù)合材料的性能進(jìn)行了建模研究[16-27]，然而采用有限元軟件FLUENT對(duì)巴基紙/SMP復(fù)合材料熱學(xué)性能進(jìn)行分析的極為少見(jiàn)。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(duì)巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能，為合理地設(shè)計(jì)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(duì)聚合物基體的加熱模型，L、T、w分別為聚合物基體的長(zhǎng)度、厚度和寬度，d為巴基紙加熱片的厚度。假設(shè)加熱裝置靜置于空氣中，散熱方式為自然對(duì)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(guò)自然對(duì)流散熱，在一定時(shí)間后整個(gè)裝置逐漸達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 加熱試驗(yàn)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(fù)合材料的幾何模型，模型中正弦形巴基紙加熱片呈5個(gè)彎曲周期，每個(gè)彎曲周期為120 mm，即模型總長(zhǎng)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(fù)合材料幾何模型，模型長(zhǎng)度、寬度及高度分別為600、50及100 mm。

圖2 巴基紙基復(fù)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(duì)SMP聚合物基體加熱過(guò)程的計(jì)算中，自然對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為10 W/(m2·K)，環(huán)境溫度設(shè)為300 K；加熱功率分別設(shè)為15、25、50 W，巴基紙厚度設(shè)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(duì)巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料及直線形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)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(jì)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(fù)合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)典型溫度整體偏低。這是由于正弦形巴基紙加熱片的長(zhǎng)度相對(duì)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(dǎo)致正弦形巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度相對(duì)較低，且溫度分布均勻性相對(duì)較好。由表2可知，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)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(fù)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度相對(duì)較高，但是溫度分布均勻性相對(duì)較差。此外，當(dāng)巴基紙基復(fù)合材料溫度分布不均勻時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，可導(dǎo)致其機(jī)械性能下降。因此可以根據(jù)實(shí)際需求是側(cè)重要求溫度還是力學(xué)性能來(lái)選擇相應(yīng)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(fù)合材料及直線形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料相比，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)其最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)和平均溫度(Tave)均相對(duì)略高。此外，由表3可知，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(yuǎn)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度(Tmax)和最低溫度(Tmin)的溫差(分別為49 K和63 K)。說(shuō)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(fù)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度、最低溫度及平均溫度相對(duì)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(duì)較小。

2) 相同體積內(nèi)熱源作用下，正弦形巴基紙/SMP復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)典型溫度相對(duì)略高；且正弦形及直線形巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度和最低溫度的溫差基本相同，遠(yuǎn)小于相同加熱功率作用下正弦形及直線形巴基紙基復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度和最低溫度的溫差。說(shuō)明巴基紙基復(fù)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：

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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(luò)出版日期：2017-04-28.

黑龍江省博士后科研啟動(dòng)項(xiàng)目(LBH-Q16141)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201454).

張阿櫻(1973-), 女, 高級(jí)工程師, 博士后；

呂海寶(1979-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師.

張阿櫻, E-mail: zaying@sina.com.