复合材料的热学行为.ppt

7 复合材料的热学行为 复合材料的热行为随使用强度的变化而敏感地变化 受到负荷的基体是温度敏感性的材料 构成复合材料各相之间的热膨胀系数不同引起内应力的发生 一般是高温冷却 温度的变化也在复合材料内引起大的应力 蠕变行为更容易受到这样的影响 在各种应用领域及成形工序中 也会受到某些热流的影响 所以复合材料的热传导性也是重要的 7 0耐热材料 复合材料的特征之一 耐热性耐热材料 在高温下化学稳定 强度下降得少的材料 高温环境下发生在室温不会发生的新问题温度差或者温度梯度所产生的热应力均质材料 无复合材料 异相之间的热膨胀系数差异在有温度差时就会发生热应力 该应力与温度差大体成正比 热应力产生的因素 组成复合材料的异相间热膨胀系数差异高温制备后冷却到室温材料内部残留有应力服役过程中外界温度的变化 热冲击 当温度急剧变化时 物体的外部温度很快变化 而内部尚未来得及变化 这样由于内外热膨胀的差异所产生内部应力受到因温度急剧变化而引起的热冲击时 在形成拉应力的场所可能会使裂纹扩展 甚至材料破坏 7 1热膨胀 基体与强化材料的热膨胀系数与温度的关系 纤维与基体的热膨胀系数差一般很大 复合材料的制备与成形通常需要高温 所以复合材料的内部会周围温度的变化而发生高的热应力 基体冷却过程中发生大的收缩 也会产生热应力 由两相的膨胀与收缩的不同而形成应变 T T Test T0 周围温度 m f 对复合材料内部的应力进行分析求解 作为最简单的问题 可以考虑无限大的基体中仅在一个球形强化体的情况 基体中这样的应力状态与半径为a的球形气泡在压力P作用下的情况相同 对基体内半径方向 径向 与切线方向 轴向 的应力进行了分析 由热变形应变 T所引起的球形颗粒内的压力P G K分别是剪切弹性模量 泊松比与体积弹性模量 下标P m分别表示颗粒与基体 a SiC Ti复合材料经500K冷却后的弹性应力状态 b 假定基体的屈服强度为100MPa时塑性流动后的应力状态 无加工硬化 热膨胀 伴随温度变化的应力分析 是通过材料的热膨胀系数而进行的 通过内部应力所引起的长度变化 加上基体的热膨胀 可以求出复合材料的热膨胀 根据这样的简单的考虑方法 能够大概求出复合材料的热膨胀系数 基体中含有空隙的多孔复合材料 在温度上升时 内部不产生应力 这是由于空隙的刚性为0 所以 空隙的存在不影响材料的热膨胀系数 由于层板模型必须满足轴向的应力平衡 所以这里所得到的结果 对于长纤维复合材料的轴向性能是适用的 但是 由于未考虑泊松比 所以其结果还是不够严密的 横向的热膨胀 短纤维 颗粒强化复合材料的热膨胀 其应力与应变因各自的位置而不同 所以其精确的解析式十分复杂 但是对纤维强化复合材料的横向热膨胀 也进行了一些有用的近似分析 其精确的解析式十分复杂 但是对纤维强化复合材料的横向热膨胀 也进行了一些有用的近似分析 玻璃纤维及颗粒强化材料 环氧树脂复合材料的热膨胀系数与纤维含量的关系 在轴向受到压缩 由泊松比而在横向发生伸长 所以由于纤维的存在 即使是低的体积分数 也可能对热膨胀系数有大的影响 定向强化材料的热膨胀 复合材料的温度变化时 材料内部产生大的应力 伴随温度变化所产生的应力也必须给予注意 研究在该温度变化下复合材料的行为 在实用上也是非常重要的 复合材料会对其内部应力产生响应 例如在长度的测量中 复合材料中发现了伴随着热应力的滞后现象 加热状态与冷却状态下其变形不同 基体的应力最初如A点所示 受到拉伸残余应力 屈服应力 但是伴随着加热该应力下降 变为压缩应力 到达屈服点B 此时基体开始塑性流动 沿着屈服应力线图到达C点 而且 在冷却过程中 基体的应力又变为拉伸应力 线性增大直到拉伸屈服点D 到达屈服应力后 沿拉伸屈服应力线图到达A点 Al 3Mg 30 SiC长纤维强化复合材料的 a 热循环中的应变履历 b 基体中轴向应力的下降 由热循环的晶格应变的中子衍射法 对Al基体中配列5 SiC晶须的复合材料的测定结果 a 强化相 b 基体 7 2 由均匀的温度差所引起的热应力 7 2 1颗粒分散强化复合材料 r 球的半径方向与周向的法线应力E a v 材料的弹性模量 热膨胀系数与泊松比下标p与m 分别表示强化体颗粒与基体 由均匀的温度差所引起的热应力 Al2O3颗粒强化玻璃复合材料的热应力 ij 在颗粒内应力为一定值 r 2 而进入基体后 应力则随着离开颗粒的距离而急剧下降 Al2O3颗粒强化玻璃基复合材料中径向应力分布 微裂纹发生的条件 式中为界面上模型I的临界能量释放率 为按照表示界面上已存在的裂纹大小的参数发生裂纹的温度差与颗粒半径有关 最小的颗粒半径为 7 2 2 热应力及热膨胀系数 等价夹杂物法 热应力及热膨胀系数 椭球体的两极 A 与赤道部分 B 是容易形成应力集中的区域 式中 C为强化体内部一定的应力 应力由大到小的顺序为 11 rr 22 33 zz 放射方向应力 rr与半径方向应力 随角度 的变化 残余应力随长径比的变化 a SiC短纤维强化Al2O3 Vf 0 3 b SiC短纤维强化堇青石 Vf 0 3 SiC晶须强化Al2O3复合材料中平均残留应变的实验值与计算值 求得的求得的残余应力 表示基体的值 表示晶须内的值 实线表示计算值 可知 计算值与实验结果取得了很好的一致 图中值得注意的还有强化体纤维的体积分数Vf 在的体系中 随着Vf的增加 基体中的拉伸应力增大 从而可能促进基体的破坏 7 2 3热应力与强度 韧性 热应力 裂纹 弹性模量 热膨胀系数等结构不敏感特性 视裂纹为第二相 进行分析与定量评价结构敏感特性 强度 韧性等 定量的分析困难 但很容易想象热应力会对这些性能产生显著的影响为了使问题简化 认为纤维与基体内部的热膨胀系数均为各向同性 基体与纤维的热膨胀系数分别为 m与 f 热应力与强度 韧性 一般来说基体的拉伸断裂应变小于纤维的拉伸断裂应变 所以在考虑纤维轴向的拉伸强度时 希望 m f 界面发生张应力的情况下 横向强度减小 当超过界面的结合力时 基体与强化体材料之间不能够进行力的传递 热应力就不产生效果 断裂的进展方式也不同 这样 如果材料是完全的各向同性 则热应力会在两个方向上产生完全相反的效果 如果纤维具有很大的各向异性 则可能不会出现这样的问题 也就是说 考虑由成形烧结温度下降时所产生的应力 使上述两个方向上强度增大的条件为轴向 m f 而横向为 f m 此外 也考虑了在纤维与基体的界面上 插入特性介于二者之间的中间层以缓和热应力作用的方法 热应力与强度 韧性 圆柱模型的计算结果 式中 f与 m分别为纤维与基体的泊松比 2与 是由下式所定义的常数 i p 为界面的摩擦系数 P界面的压力 法线应力 基体中裂纹发生应变随临界能量释放率的变化 从材料的信赖性的观点看 希望强化体纤维在断裂之前能有类似金属材料那样的塑性变形 在CMC中 基体的断裂一般是多重断裂机制 在 i非常大的情况下 基体内的裂纹可能会引起复合材料全体的脆性断裂 在考虑到热应力的情况下 该断裂行为的判定基准为 T 0 1时纤维断裂 T 0 1时发生桥接 T 0 1即可定量地预测热应力的影响 与分别为基体与纤维内的残余热应力 将p以及 i p代入上述基准式 即可定量地预测热应力的影响 7 3热冲击 急剧的温度变化可使物体内发生大的温度梯度 形成应力状态 当拉伸应力超过一定的值时 就可能发生裂纹的扩展 造成强度的急剧下降 因此 一般地 热冲击阻力是指与裂纹发生相对应的 称为耐热冲击断裂性 但复合材料中是关于已发生裂纹扩展的耐热冲击损伤性 它对用于炉壁的耐火砖 航天飞机的绝热材料等来说 相对于强度的低下 材料的剥离 灾难性的破坏等更为重要 热冲击 要解决热冲击问题 需要求解非稳定热传导方程与弹性体的平衡方程所组成的方程组 这牵涉到材料的尺寸 形状 热冲击等众多的参数 使得从这些方程求得耐热冲击的一般结论十分困难 一般是讨论一些特殊情况下的简单求解方法 主要归纳出表达材料物性不同时耐热冲击性相违的最佳参数 在选定材料时 利用该参数的最优化进行选择 再由实验定量地确定耐热冲击损伤性的值 强度低下值 热冲击 这样的分析可以分为两大类 基于经典的热力学解析 从进行由热冲击引起的应力大小的讨论出发 导出关于支配裂纹发生的耐热冲击断裂性的参数 热冲击断裂阻力 利用断裂力学的原理 其特征为不仅涉及裂纹的发生 而且还讨论已形成裂纹的扩展 热冲击 在实际应用中 有以下三点重要的注意事项 1 能够进行定量分析处理的 仅是极端简化的特殊情况 与耐热冲击性相关的参数中大多数不仅与试样的尺寸与形状等相关 而且随传热介质的种类 液体或气体 对流的方式 自然或强制 等外部条件而显著地变化 所以反映实际情况的解析是困难的 如果再考虑到当温度大幅度变化时引起材料物性的变化 这项工作变就得更为困难 2 解析是以均质 各向同性的材料为出发点 适合于复合材料时 必须把握这些复合材料的特殊性 例如 必须考虑复合材料在成形与烧结时会产生微观内部应力 3 复合材料一般具有各向异性的特点 用各向同性材料的解析结果在一定程度上是可用的 但要认识到有时只是粗略的近似 7 3 1非稳态热应力分析最容易考虑的是一维非稳态热应力通过各向同性板时引起的热冲击行为 厚度为 起始温度为T的平板 在温度急剧升高了 T时 表面层的最大应力 可近似表示为 式中EC C C分别为复合材料的弹性模量 柏松比及热膨胀系数 Tm为平均温度 为将热膨胀被完全抑制时的应力 EC C T 1 C 进行无量纲化的热应力 式中 c 导热率h 传热系数 表面热转移系数 c 温度导温系数cc 比热 的值大 表示由外部传来的热量向物体内部扩散困难 反之 的值小 则意味着这样的扩散容易 因此可以认为 是用材料的物性表示热冲击大小的尺度 在非常苛刻的热冲击的条件下 令 则 可以求出应力达到最大值 max时所能容许的最大温度差 T 所以R可以作为在这种场合下表示 耐热冲击断裂性的尺度 另一方面 热冲击非常缓和时 取 0 得到 表面层的最大应力 时 温度升高 T 仅取上式右端的物质常数 有 欲提高材料的抗热冲击性能 希望材料有高强度 高热传导率 低的弹性模量与低的热膨胀系数 以上讨论了 的两种极端的情况 对于一般情况 可以用R与R 来估计材料抗热冲击临界温度 7 3 2断裂力学的方法 对脆性材料的裂纹进展加以讨论 热冲击应力能使物体内部与表面的温度形成差异 从而发生体积膨胀的错配 例如在急冷的情况下 表面材料的热行为受到内部材料的约束 会在表层附近形成拉伸应力 特别是受到热冲击的物体比较大时 温度的变化仅仅影响到表层附近很少的部分 由于热膨胀的应变可使表层的应力达到很大的值 要想完全约束该应变 需要给予物体几乎同样的温度差 在此基础上 将材料全体置换为完全固定了承受一定温度变化 T时应变的无限体 而讨论热冲击问题 1 裂纹的稳定性假定无限体的单位体积内有N个圆盘状的裂纹 半径为l 该裂纹密度较小 以至于裂纹间的相互作用可以忽略不计 由热冲击引起物体内发生的单位体积的能量W由弹性应变能与裂纹的表面能组成 它可用下式表示 式中Ec为无裂纹时的弹性模量 l为裂纹长度 裂纹扩展的条件由给出 此时 临界温度变化 Tc为 当裂纹处于实线以上的区域时是不稳定的 图中的点画线是考虑 T为一定时的行为 当裂纹长度l lCL lCL为裂纹稳定曲线的左侧部分 或者l lCR lCR为裂纹稳定曲线的右侧部分 时 裂纹不发生扩展 但是当lCL l lCR时 裂纹处于不稳定状态而急剧扩展 当然 不稳定裂纹的长度还随裂纹的密度而变化 主要是在右侧的lCR 这样的在随着裂纹长度增加时 裂纹在经历了不稳定阶段后又趋于稳定的特征 是热冲击中所特有的 与材料在受到一定载荷时裂纹的行为不同 这一点已经在耐火材料中得到了应用 例如 对于存在有大且多的孔洞的耐火砖 可以利用图中右侧的区域 也可以按照图中裂纹稳定的左侧区域设计 使材料即使在受到热冲击时 裂纹纹也不至于扩展到不稳定区域 在裂纹不稳定区域 由于释放了裂纹扩展部分表面能以上的能量 其余的能量就成为运动能 例如在图中 位于A点的裂纹发生扩展 经由B点到达C点 由动态惯性效果所产生的裂纹长度的增加所发生的表面能与所释放的应变能基本相等 所以有 式中l0与lf分别为裂纹的最初与最终长度 由该式求得的lf与 T的关系为图中的虚线 当l0很小时有 2 热冲击参数 当初期的裂纹很小时 T可表示为 对于含有圆盘状裂纹的脆性材料 其强度可以表示为 由上述 热冲击参数 另一方面 耐热冲击损伤性可以由裂纹最终的长度来判断 裂纹的截面积可以由 lf2给出 裂纹较大时 稳定性判据 热冲击参数 热冲击参数随热冲击条件 裂纹的大小而变化 3 残留强度 对于受到热冲击的材料 最为关心的是其强度的下降 然而对于强度的分析 尚未达到定量的水平阶段 定性的分析如右图所示 为了从力学的角度说明材料的行为 假定材料中已经存在有所示的长度处于A点的裂纹 当温度差 Tc未达到A点时 裂纹处于稳定区域 不发生扩展 强度也就没有下降 相当于图中的a b 然而当温度差一旦达到临界值 裂纹就会扩展到C点 伴随着强度的不连续下降 b c 残留强度 在该状态下 即使温度差进一步增加到d点 裂纹也不再发生扩展 强度也不发生下降 c d 当温度差达到d点以上时 裂纹又开始扩展 强度连续下降 下图为对直径为5mm的Al2O3棒热冲击后残留强度的测试结果 与前面的分析显示了相同的倾向 各种热冲击参数与断裂行为的关系 7 3 3由材料的复合提高耐热冲击性 一般说来 材料的耐热冲击断裂性随 c Ec c的减小和 cu c的增大而增大 而耐热冲击损伤性则与其相反 c Ec c较大 cu较小的材料 该值较大 所以要使材料的耐热冲击断裂性与耐热冲击损伤性同时提高 往往是是矛盾的 即使是利用复合材料能够设计的优点 做到这一点也比较困难 一般的方法是通过材料的复合化来控制材料的 c Ec c cu c等性能 以达到耐热冲击断裂性的指标 为了改善Al2O3的耐热性 考察了用热特性良好的SiC颗粒分散的复合材料 c随SiC体积分数的增加而增大 而 c则随SiC体积分数的增加而减小 可知 使耐热冲击断裂性提高而强度下降的温度差也随SiC体积分数而变化 由材料的复合提高耐热冲击性 Al2O3 SiC复合材料中临界温度差与热传导系数随SiC体积分数的变化 由材料的复合提高耐热冲击性 还有降低弹性模量的方法 研究得较多的体系是Al2O3 SiC AlN等高刚性的陶瓷中添加低刚性的BN颗粒 BN具有小的 c Ec 高的 c 因此对于提高耐热冲击断裂性是有效的 耐热性能与BN体积分数的关系 R R R 由材料的复合提高耐热冲击性 还有一种使材料的弹性模量下降的方法 是使材料内部发生微裂纹 由于微裂纹的导入可以使韧性提高 所以该方法的优点之一是不仅可以使耐热冲击断裂性提高 而且还可以使耐热冲击损伤性提高 由材料的复合提高耐热冲击性 ZrO2颗粒的分散也能有效地提高耐热冲击性 在这种情况下 马氏体相变所产生的应变会伴随着应力的稍微增加 因此能起到与弹性模量下降同样的效果 而且ZrO2颗粒的加入可以使断裂韧性提高 因此不仅使耐热冲击断裂性增大 而且也使耐热冲击损伤性增大 由材料的复合提高耐热冲击性 对有些材料实施热处理使其析出适当的晶体 也能使耐热冲击断裂性系数提高 7 4热传导 通过得到优异的热传导性 能够改善材料的热冲击性 使材料的性能提高 低的热传导性 是提高绝热性所不可缺少的 对热传导性的研究不仅是纤维与基体 而且必须预先对复合材料的热传导性有所考虑 对适用于使用目的的热条件相对应的热性能进行研究 传热的普遍性与应用的广泛性 传热的普遍性 凡是有温差的地方 就会有热的传递 应用的广泛性 导热 导热 又称为热传导 是指物体内部温度不均匀或温度不同的物体相互接触时 由于物体内部的微观粒子 分子或原子直接交换能量 而实现从高温向低温的热能转移过程 单纯的导热只能发生在密实的固体中 这是由于当有温差时液体与气体会产生对流现象 7 4 1热传导的机理 热是是以声子 phonon 晶格振动 与自由电子 如果存在 作为移动介质而在物质内移动 这两种介质是由能量交换的冲突而产生 一个具有自由程 平均速度v的介质的热传导系数K 具有由运动理论所导出的下式所表示的简单关系 自由程v 平均速度C 移动介质单位体积的比热 一般规律 移动介质的平均速度 在任何介质的情况下都对温度不敏感 材料越轻 刚性越高 物质内的声速 声子的速度 越高 声子的平均自由程与物质的结构有关 受结构完整性与粒子尺寸很大的影响 金刚石与SiC的单晶材料 具有非常高的热传导性 还有关于沥青系的碳纤维等具有高的热传导性的材料的报道 对于上述情况也有例外 例如一般的金属材料 由于其电子的平均自由程比声子大 所以具有优异的热传导性 但是 这样的形状会受到原子的存在及电子的分散等因素的影响而下降 高分子材料则由于没有自由电子 且刚性低 所以热传导性也低 7 4 2复合材料的热传导性 复合材料的热传导系数 可以是以等温条件下通过构成复合材料的原材料的热流的假定为基础而表示 关于这样的复合材料的热传导的研究 关于长纤维复合材料的热传导 可以适用板层模型 轴向及横向的热传导 a 关于长纤维复合材料的层板模型 b 纤维方向的热流 c 横向的热流 轴向的热流 关于轴向的热流 由于构成复合材料的各相中温度梯度相等 所以全部的热流等于纤维中的热流与基体中的热流之和 可由下式表示 可以用热传导系数与温度梯度来表示 所以 复合材料的热传导 可以由以下简单的复合法则所决定 这样的表示对轴向的热传导是十分适用的 横向的热传导 板层模型中横向的热传导 可以由通过不同的相的流出与流入的热量相等的条件而导出 而且 复合材料的温度梯度 可以由各相的温度梯度的加权平均值来表示 所以 横向的热传导系数可以由下式表示 这样所得到的横向的热传导系数 与力学性能中横向的弹性模量的形式类似 横向的热传导 由于在上述模型中 假定各相之间是串联连接 所以不能得到高的精度 实际上 上式是表示热传导系数的下限值 该结果在纤维的热传导系数很低时 缺乏可靠性 例如在预测包含绝热纤维的复合材料的热传导系数时 即使是纤维的含有量很低 其热传导系数也会为0 为了得到横向的热传导系数 有更可靠的方法 碳化硅与氮化硼强化的铝基复合材料的热膨胀与热传导系数 点线描画的直线是表示以K 作为参数 表示对热变形的抵抗 图中阴影部分表示Al SiC与Al BN复合材料中K与 组合的期待值 在K大的范围 K 应该取大的值 在K小的范围 K 应该取小的值 所以 铝合金对于热变形的抗力 加入碳化硅时能够得到改善 而加入氮化硼时的效果较小 7 4 3界面的热阻 前面所述的计算结果 是假定基体与纤维是完全的热接触 但是 实际上在界面附近存在有由孔隙及裂纹构成的界面层 所以使其热特性下降 就是说 由热流动的障碍 在金属陶瓷这样的异种材料的界面上 更是使热流降低 热传导性下降 这样的热阻特性 可以由界面热导系数h Wm 2K 1 来描述 界面热阻 前面的讨论中 为了简化 假定界面无热阻 但是 实际上 无论两个面接合多么紧密 由于表面的不平 在接触面上只有点接触 层与层之间有一层薄的空气存在 形成附加热阻 称为接触热阻 原因 热流线收缩至局部接触处 界面间隙处的热辐射等 接触热阻与压力的关系 长纤维强化复合材料的横向热传导系数 Ti 7Al 4V 30 SiC长纤维复合材料中 伴随与纤维垂直方向上的热流引起的温度变化的热传导系数的比 强化相为球形颗粒 且其体积分数f较小 两种颗粒强化复合材料的热传导系数比随温度的变化 a Ti SiC复合材料 b Ti TiB2复合材料 在特定的金属基复合材料Ti TiB2中 其界面的行为明显不同 而且 所得到的实验数据表明 在该体系中界面的热传导性较好 而且 界面的热传导与界面完全接触状态下预想的热传导性大体接近 对于平壁 Q S tFQ 通过的热量 导热系数 t 壁两侧的温差S 壁厚F 平壁表面 导热与导电的比较 基本概念 温度场 在某一瞬间物体内部所有各点的温度分布 一般是时间和空间的函数 温度梯度 温度差 t对于沿法线方向两等温面之间距离 n的比值的极限 是沿着等温面法线方向的矢量 傅立叶定律 单位时间内传递的热量Q与温度梯度及垂直于导热方向的截面积成正比 Q gradtF对于单位面积q Q F gradtF F gradt 为导热系数 Q F s gradt 量纲 J m2 s K m J s m K W m K当温度梯度为1K m时 单位时间内单位面积 每平方米 所传递的热量Q 金属的导热系数 金属是良好的导体 常温下的导热系数为2 2 420W m K 金属的导热系数 杂质的含量与种类对金属的导热系数的影响很大 例如铜中添加微量的砷能够使导热系数下降到140W m K 主要是由于阻碍了自由电子的扩散 纯金属的导热系数一般是随温度的升高而减小 这是由于温度高时晶格的振动加剧 干扰了自由电子的运动 使导热系数下降 而合金材料的导热系数则相反 一般是随温度的升高而增大 例如不锈钢的导热系数随温度的升高而几乎线性增大 耐火材料 建筑材料的导热系数 耐火材料 建筑材料的导热系数为0 025 3 0W m K 一般含有气孔 对此类材料的导热系数的影响因素主要有 温度 温度升高 分子的热振动加剧 使实体部分的导热能力增大 同时孔隙部分的对流与热辐射也加剧 使导热系数增大 湿度 由于水的导热系数远大于空气 所以使导热系数增大 密度 密度越大 导热系数越高 气体的导热系数 气体的导热系数很小 一般为0 007 0 7W m K 一维稳态导热 单层平壁双层平壁 复合壁导热 实例 炉渣混凝土砌块 结构尺寸如图 炉渣混凝土的导热系数为 1 0 79W m K 空心部分的导热系数为 2 0 29W m K 计算砌块导热热阻与导热系数 沿高度方向分为7层 4个混凝土层的热阻为3个混凝土 空气层的热阻为砌块导热热阻为并联热阻之和 即热阻率 0 531 1 0 39 0 115 1 80K m W导热系数 1 热阻率 0 557W K m 复合材料的导热系数 1 各相分布形态的影响 界面热阻 电子导热材料与声子导热材料之间的热传导的阻力 热 本质上是微观粒子的振动 电子导热材料与声子导热材料进行热传导时微观粒子 电子或声子 的振动频率 振幅不同 相互传递时也应该是有阻力的 高导热复合材料导热性能中的界面作用 界面 导热特性 超越完美界面 完美界面 非完美界面 良性非完美界面 恶性非完美界面 Cu Al diamond 超越完美界面 金刚石颗粒聚晶 人工合成金刚石 Cu diamond 界面热阻和晶界热阻并存 10 8m2K W 10 9m2K W 完美界面 SiCp Al SiC diamond Kapitaz界面热阻 非完美界面 Kapitaz界面热阻 额外热阻 良性非完美界面 第三相促进界面结合 界面热阻趋近于Kapitaz热阻 SiCp Mo Cu Cu Cr2C3 diamond 恶性非完美界面 SiCp Mg SiCp Al SiCp Cu 第三相降低界面结合 显著增大界面热阻 具有超越完美界面复合材料有效热导率的求解 单个多晶体 其它独立颗粒 多晶体的热导率 MEMA 多晶体在复合材料的有效热导率 简化处理 实验分析 Yoshidaetal Cu diamond 4 87 107W m2K 1 0 109W m2K 超高压烧结工艺 使用MEMA确定连通颗粒的数量 Hasselman Johnson Kc Maxwell Eucken 23 33 50 m 100 m 界面热阻的影响仍然存在 MEMA模型数值分析 Ref微米 500W mK纳米 100W mK MEMA模型数值分析 具有非完美界面复合材料有效热导率的求解 Hasselman Johnson Hasselman Johnson 简化处理 恶性非完美界面的实质 空气层 空气的热导率 界面热阻无限大 实验分析 h 5 95 107W m2K SiCp CuSiCp Mo Cu Schubertetal 40nm 180nm Mo固溶Cu基体 Kc SiC Mo Hasselman Johnson Kc SiC 多孔复合材料 SiCp Cu SiCp Mo Cu Cu diamond Cu Cr diamond Shubertetal h 4 87 107W m2K 拟合参数 100nm Cu diamond Cu Cr diamond 添加元素的种类和含量 Cr B0 1 1at Al diamond Al Si diamond Rushetal 5 107W m2K Stoneretal Al4C3140W mK 拟合参数 400nm Al diamond GPI770W mK 750 8MPa 1100 2GPa Al Si diamond Si在界面处发生偏聚阻碍Al4C3的生成 数值分析 Cu diamond 10 100W mK 碳化物的热导率 界面生成物厚度 和热导率 Ks 的影响 合理选择合金元素和其含量 数值分析 导热比 Kp Km 空气层厚度 的影响 根据材料界面的导热特性不同 可将复合材料的界面分为 超越完美界面 完美界面 非完美界面三种类型 其中非完美界面又可分为良性非完美界面和恶性非完美界面 界面的导热能力依次降低 基于MEMA模型提出适合描述具有超越完美界面复合材料热导率的简易模型 可对发生连通颗粒的数量进行估算 并得出在越完美界面复合材料中 使用微米级颗粒复合材料的热导率远远大于使用纳米颗粒复合材料的热导率 颗粒粒径在一定范围内 颗粒之间的相互连通才会显著提高整体复合材料的热导率 基于Hasselman Johnson模型提出适合描述具有非完美界面复合材料热导率的简易模型 计算值和实验值吻合的较好 并得出界面处的空气薄层是决定此类复合材料导热性能的重要因素 大约20 m厚度的空气层就将将高导热性能的颗粒