基于沙渠--石渠转换机制的聚合物导热复合材料制备方法研究
聚合物基导热复合材料目前在很多领域得到广泛应用，导热复合材料的制备大多数通过向基体中添加过多的高导热填料，结果热导率仅有微小的提高，又造成复合材料的力学性能下降。研究过程中发现，同样是添加填料，热导率却不能像导电复合材料的电导率呈数量级提高，针对这一现象，吴大鸣教授团队提出“沙渠-石渠”转换机制，其核心是通过强制组装法(SCFNA)制备密实化导热网络可以明显提升复合材料的导热性能。注射成型作为制备导热复合材料成型方式之一，具有成本低，效率高，加工精确等特点。但是注射成型的复合材料内部形成自组装松散的导热网络，导热性能改善不大，且力学性能受到影响。 实验室前期利用热压印设备成功实现SCFNA法制备出高导热复合材料，但是热压印设备模具形状单一，只能制备相同形状的单层导热复合材料，加工效率低。所以，难以实现导热材料的连续化生产。基于注塑机的注射压缩功能来实现SCFNA法制备高导热复合材料，本文提出新的制备多层导热复合材料的工艺——多层注射压缩-空间限域强制组装法(MLIC-SCFNA)。研究内容包括:(1)基于拉伸预制件结构的尺寸，设计一套注塑模具。模具设计过程中，基于flow simulation插件，对模芯与冲头流道中的流体流动状态进行仿真模拟，分析流动速率和温度的分布，确定了流道系统的尺寸及排布。通过电加热装置、冷热一体模温机和循环加热器三者相互协调，实现模具温度的快速调控。 (2)基于Moldflow模流分析软件，以翘曲变形量、体积收缩率、残余应力为制品性能的评价指标，设计L18(37)正交试验，单因素法着重分析压缩速度、压缩距离、压缩时间等压缩工艺参数对于制品性能的影响，对比了不同工艺参数对注射压缩与注射工艺制品性能的影响，最终得到注射压缩最优工艺。同时，与传统注射成型相比，注射压缩成型可大幅度改善制品的性能。可使Z方向上的翘曲变形量、体积收缩率、残余应力降低。 (3)研究碳纤维取向分布及碳纤维网络搭建之间的关系，MLIC-SCFNA工艺与常规注射成型相比更有助于纤维取向程度的提高。并通过碳纤维充填过程的流动行为预测复合材料在水平面内的导热性能。纤维在模腔各个区域的分布不均，导热网络的构建难以密实。为了使制品沿着流动方向上（水平面内）的热导率提升，应该保证芯层和表层中的纤维取向度均匀。 (4)基于模拟数据实验制备出成型质量理想的单层、双层及满足固相拉伸要求的多层注射压缩拉伸预制件。在一定的实验误差范围下，结合实际设备与工艺条件，多层注射压缩仿真模拟较为成功地指导了实验，验证了MLIC-SCFNA新工艺制备多层注射压缩拉伸预制件的可行性。 (5)基于MLIC-SCFNA工艺制备出PP/CF多层注射压缩导热复合材料，验证了MLIC-SCFNA工艺可以使自由压缩的自组装导热网络，经过强制压缩后排列规则且密实，实现沙渠变石渠，导热能力提高。
导热复合材料;聚合物基;空间限域强制组装法;注射压缩
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
吴大鸣
2021
中文
TB34
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）