石墨改性聚四氟乙烯导热系数的研究.doc

石墨改性聚四氟乙烯导热系数的研究殷勇1涂善东“2凌祥1 (1南京化工犬学机械工程学院2100092华东理工大学化工机械研究所200237)摘要：在过程工业中换热器对工艺的实现、能源的充分利用等起到r重要的作用。化工、石化、炼油、发电等行业，经常碰到腐蚀环境，对换热器提出严格要求。聚四氟已烯(唧)由于其独特的抗腐蚀件能，在换热设备中崭露头角，但较差的传热性能和力学性能是其广泛使用的重大障碍。本文采用有限元法和实验测量对石墨改性聚四氟乙烯复合材料导热性自进 行研究，探讨了颗粒随机分布对复台后材料导热性能的影响，分析比较了实验和有限元i-算 模拟的结果，并指出改进制造工艺的方向。 关键词：聚四氟乙烯；石墨；换热器；复合材料；导热系数中圈分类号：TB332文献标识码：A工业牛产过程中，换热器对u艺的实现、能源的充分利用等起到了审要的作月。化。、 石化、炼油、发电等行业，对一些特嫌的作环境，例如海水换热、烟气脱硫、铬离子成力 腐蚀况等，普通材质的换热器甚至连不锈钢换热器都很难满足要求，昂贵的耐腐蚀合金有 时也强能短寿命运转，由此产生了许多新式换热器如聚叫氟己烯换热器、石墨换热器等等， 这些特殊的换热器利用新型材料和换热器先进结构形式，更好地服务于特定的工况。聚四氟乙烯换热器在近十多年来发展迅速，它具有化学性能稳定，抗腐蚀能力强：表 面光滑不吸附污垢，机污塞性能好；丁制成各种特殊的形状、便于安装月能适应各种特殊形 状的换热器：与贵重耐腐台金材料相比，成本较低；维护安装也较容易泄漏时利用塑料焊 枪、热宅气和翅料填充焊丝即可检修等主要优点。但氟塑料机械性能和导热性能较差，导热 系数一般只有0 180 21W(mK)，为了提高聚旧氟己烯导热性能和机械强度，通过在聚叫 氟乙烯巾添加石墨粉粒和碳纤维来提高材料的导热系数和强度性能，同时限制、减缓冷流的 发，扛，提高其结构墁计性。1。复合材料的导热性能 经典的导热系数如傅立叶定律所描述：对于各向同性的均质固体或液体，假定其内部任意一点的温度为口，单位时间内因热传导通过在该点周罔微小面积刊的热量为：趔：一五罂dAd仃其中参数五为导热系数(thermalconductivity)，单位为w“mK)。 对复合材料的导热性能的研究一直是复杂而意义雨大。对于单向连续纤维复合材料，计算纵向导热系数一般可采用混合定律：局一晦吁+如，。横向导热系数一般可用Springer等人提出的公式：岛普蜥=跺,log善=x3109詈。46化理论”J、自治理论(self-consistent scheIlle)191等。对纤维或颗粒呈规律排列的复合材料导热性能与分散相的形状、性能、含最、分布等因 素的关系进行的理论和计算研究根多。J w Klettl5等人争面分析J，单向连续纤维碟碳复合 材料的有效导热性能，分析中全面考虑了影响复合材料导热系数的各种困素，包括纤维的形态、基体材料的形态、界面的有效性、纤维的分南、孔涮和裂纹等，对复合后材料的横向和 纵向传热性能进行厂深入的理论研究，考虑了各向异性的因素，文中假设纤维和基体的导热 系数为恒定常数而不随温度而变化。J Y Kiml61等利用边界元法对颗粒分散相规律排列的复 合材料进行了分析，文中考虑了球形和方块颗粒的刚边形规律排列。S Y Ldql81研究了圆形、 方形和椭圆形截面圆柱按四方形或六边形单向规律排列下复台材料的导热性能。c Y w抽g1 等人针对混合率理论预测含微量涤加相的复合村料热性能误差大情况，对该类体积含量近乎 为零的坼层薄条和多层薄条规律排列情况下复合材料导热性能进行r研究从理论解析方面 进行了分析。M R Islam和APramilaIl叫考虑复合界面处的热阻和材料中裂纹、孔洞和脱粘 等凼素对复合材料热传导性能的影响，对圆形利方形截丽的纤维单向复合材料的横向导热系 数进行了调查，并针对四种特定边界条件情况进行理论解析和有限元分析。在复合材料有教导热性能的分析中，一般都假定各相材料导热系数为常数，而这与材料 的实际情况有偏差。J A KolodziejI 等对片状层台复合材料各相导热系数随温度变化情况 F材料有效导热性能进行r理论分析。N Arakill“等利用稳态模型实验和非稳态表面温度扩 散激光测量法研究，复合材料内部细观热流刘有敬导热系数的影响，同时与些现有的模型 预测结采和有限元分析结果进行了比较。结果显示，当分散相体积含量增加时，材料的表而 热传导性能明挂高丁稳态数值，说明此种情况下热最由材料表疝传递的短路现象严重：而弥 散扣的导热系数和颗粒尺寸的增加均会增强复合材料的导热性能。由此可知，分散相的含量、 分散颗村的大小和两相的导热系数比值对复台材料有效的导热系数和导热方式均有显著影 响。复合材料的有效热导率研究很多，可参阅文献”“。以卜舟绍的研究都针对分散相按一定规律排列的情况，对丹敞相随机分佑的复台材料导 热系数的研究尚未见于撤道。2导热系数的有限元分析 复合材料导热系数的理论分析复杂日对实际情况采用r众多的理想化条件。对于复合材料囱效导热系数，可咀针对与添加相尺寸相比足够大的区域采用J义傅立H|_定律，凼此ur咀对该区域建市有限7i模型进行分柝。有限元法在结构、传热、磁场、电场、流体力学等许多方面的计算分析中体现r极大 的优越性。本文采用当今流行的有限元分析软件ANSYS5 4，其强大的功能和可靠的结果已 得到世界17一大用户的认可。由于复合后的有效传热系数为特求量，只知道各成分的含量以及其对应的传热系数， 通过对模型加载热流等边界条件，求出温度场的分布由温度场情况反求复合材料的等效导 热系数。分析思路为建奇：基材中颗粒分布的模型，控制颗粒含量在一定的比例，两边分别施 加热流密度和空气对流传热边界条件，由热流密度和两边有限元分析所得温度，即可计葬复 合材料的等效导热系数47模型粟用圆形颗粒均匀和随机分布于方形基材中，典型的有限元模型如图1和图2所 示t荦元类私为4节点Plane55实体热分析单元，相应材料参数为：聚四氟乙烯导热系数021 w7(mK)，石墨导热系数为135 W(mK)，热流密度200 Wm2，空气对流传热系数044Wl(m2K)，边界空气温度298K。图f 颗粒均布的有限元模型局部图2颗粒随机分布的有限元模型局部 (单元数38562 节点数38725)(单元数40565 节点数40730)Fig I FEA Model ofUniform Distribution Fig 2 FEAModel ofRandom Distribution(38562 Elements and 38725 Nodes) (40565 Elements and 40730 Nodes)21颗粒随机分布对复合材料导热性能的影响 为了分析建模x域大小对结果的影响，在分散相体积含量一定的条件F，不断增加分散颗粒的数量，采用均匀和随机分布方式，通过有限元软件ANSYS的参数化设汁(APDL) 环境，产生颗粒均匀随机分布的有限元模型复合材料有教导热系数与分散的石墨颗粒数的关系见图3。可见，颗粒分却的小均匀性会导致热流的隧道效应加强，从而影响导热系数：随着微 粒数的增加，即有效建模区域的扩大，有效导热系数增加并趋于稳定，且随机分布情况的有 效导热系数逐渐接近均匀分f情况，说明理想的随机分布口j视为均匀分布。22添加相，基体导热系数比对复合后材料导热性能的影响 利用225颗粒均匀分布模型，考察非连续相基体的导热系数比对复合后材料导热系数的影响，结果如图4所示。可知，在基体不变的情况F，复合材料豹有效导热系数随分散拥 导热系数的增大向得到提岛，但当其超过某临界值时，复合材料的有效导热性能便不再增强。 另外可见，分数相与基体材料导热系数比的临界值随分散相体积含量的增大而增加。对奉例研究，颗粒均匀随机分布于基体材料的情况，在体积含量为10、20、30 的情况下，添加相基体的导热系数临界比值分别约为50、100和250。由此可5l!-，因石墨， 聚四氟乙烯的导热系数比约为600以上，即使在体积含量为30的时槟，仍然没有充分利 用石墨的高导热性能，而在实践中，当石墨成分达到30时，其与聚四氟乙烯复合后在烧 结过程中很容易-卅裂，凡成品基本不能承受载荷。一48i2j-if!；2围3有效导热系数与鞍粒数美系圈4分散相，基体导热系数比对复台爵影晌 Fig3ReIati0135 h帅cn E归融ctiveFig 4 Influences ofConductivity Ratio of Conductivity attd Particle NnbcrhcIusion to Matrix on composite conductivity3实验结果及分析 目前对固体材料导热系数的测试方法大致分为稳定热流法(稳态法)和不稳定热流法(非稳态法)两类，其中稳定热流法原理比较简单，计算方便，但测试时间长，对实验装置 要求高；而基于非稳定热流法的常用方法则有平面热源法和线热源法。平面热源法设备简单 操作维修方便，次测试可同时捌出材料的导热系数、导温系数和比热；线热源法适用于测 定粉末材料、小颗粒状材料和短纤维状材料的导热系数，其主要特点是测量时间短(约十几分钟)，不需要测量试样的尺寸。本次试验采用了线热源法测导热系数所用设备有直流电源、电阻丝、热点偶、电流 表及导线、保温棉等。室温下实验结果如表1所示。由实验测得聚四氟乙烯与石墨的密度比为p一佃；l 133，所以重量百分比为5、10、15、20、30的复台材料其体积百分比对应为5627、11 18、16，66、2207、3269。表1石墨改性PTFE的导热系数Tab 1Thermal Conductivities ofPTFE CompositesWeight PercentageGraphiteGraphiteGraphiteGraphiteGraphite5 10 15 20 30Thermal ConductivityO 365578 0 4-33004O 5175110 57555O 8896(WmK)实验结果与有限元分析和常用的一些理论颈测模型结果如图5所示，可见对分散相 相对稀少的情况有限元能较好地预测材料复合后的有效导热系数，随着含量的增加，实验结 果高于有限元预测且差距呈上升趋势。Br嘴gem丑n经验预测模型从趋势上与实验结果能比较 好的吻合，只是相对于实验测量值偏大。49”仲们一z。Ei寺i；口暑cou：呈iE-图5常用模型及有限元分析预渭与实验结果比较Fig 5 Comparisons ofexperimental results with FEA and some model8【：图使用的理、沦预测模莲121如下：屯(屹：一)五十(! 屹3+阢并行模型：以；凡+f1一 屹；卜阿+(；一心nfl一；V，+；儿串行模型：拿=M 张冬=麓纭棼矧：B嘴。一模型：一心：K；相的翟慧；分布对导拽性能的影响可以从数学角度简单给出定性考虑。假设两个圃形颗姚娄警、臻蒜嚣鐾篙燃黜鬻墨燃磊飘紧翟蒜篇等黧i纛端篆耄嚣：纂要鲁篙磊釜篙耋盏蓑篡茗篙薯藉莩熏釜蒜黧纂翥羹黧嚣篡蒙昙釜竺慧要罂笔磊嚣嘉蒙冀?戛塞嚣鼍主嚣嚣翁掌麓r到多颗粒系统，在体积含量一定的颗粒均匀分布条件F，当微粒且牲一戢明最伺刑霉。950的传递。所以颗粒大小的不均匀性会导致复台材料导热系数的下降，详细的定量分析仍需借助于有限元这个有力工具。4结论 由上分析可得以下结论：1)与均匀分布相比，随机分布颗粒复合材料的导热系数偏小，告诉我们在实际生产qt，成 尽可能地克服团聚现象，使分散柏分布均匀以提高材料导热性能。2)在体积含量一定的条件下，增大分散相与基体导热系数比对复合后材料导热性能的提高 有一个临界值，超过该临界值后便不能明显提高复合后材料的有效导热系数，而且该临 界比值脏分敝相体积含量的增加丽增大。3)有限元分析预测在分数相稀少的情况下比较准确随着分散相含量的增加，实际情况相对预测结果偏高的趋势增大。本文仅考虑了颗粒的随机分布以及复合相导热系数比对村料导热性能的影响，实际生 产中，颗粒大小的正态随机性，分散相外形的多样性一些孔洞等缺陷的存在以及各复台相 导热系数随温度的变化等均会对复合材料的导热性能产生显著影响，是今后进一步深入研究 的目标。参考文赫”Springer,S G，Tsai,SW，Thermal Conductivities of Unidirectional Material墨，(oropesMater l， vl 佗1”1 DaWSOll,D MBriggs，A，Prediction ofthe thernaal COIldIIcti哳W of岫td撕mmerialRMatf，1981v16：3346laJ Pilling,MW，Yates，B，Black，MA，Tattexsall，P，The t11ermat eonduetivity ofcarbonfibrereintbreed compositesJ Mat胁t，1979v14 1326”I Ervm,V J，KIc比J W，Mundt,C M，Estimation ofthe thermal eonduetivity ofcomposites,JMatScL，1 999v34：3545”IKho也j WErrm，V J，Edie，D D，Finire-elementmodelingofheattransferincarboncarboncompositesCompos#es Science and Technology 1 999v59；593Kim,J Y，Y0011，B J，The E髓etive Conduetivities ofComposites with Cubic Alays oflO JSpheroids andCubesJournalofCompositeMatercals，1999,v33(t4)：i34411 LlL S Y，Amsotropy in effective eonductivities ofrectangular arrays of elliptic cylinders，JApplPhys，1994，v76(51：2641pbL S Y、The Eriective Therfllal Conduetivities ofComposites with 2-D Ar