复合材料不同分散体系的热导率

1、复合材料不同分散体系的热导率(翻译人：韦辉生)Y. ACARI," A. UEDA, and S. NACAlDepartment of Plastics, Osaka Municipal Technical Research Institute,6-50, 1-Chome, Morinomiya, Joto-ku, Osaka 536, Japan内容简介我们测量一些复合材料的几种类型分散体系的电热导率。分散状态，也就是说，在这些复合材料的导电链形成通路的时候 ，预计其特征导电率和比较他们的导热率。因此，很清晰的知道，复合材料的分散状态对其热导率有很大的影响。此外这证实了以前的报告

2、中提出的预测模型是适应在几种类型的分散系统的复合材料的导热系数。很显然复合材料的分散状态的影响前面的模型C1和C2的值。引言许多报告已发表高分子复合材料的热导率的提高。然而，只有少数报告讨论分散状态对复合材料的热传导的影响。在这项研究中，我们测量四种方法用石墨填充聚乙烯的导热系数和导电系数：（a)粉末混合，（b）溶液混合，（c）双辊混炼混合，（d）熔体混合。我们预计导电石墨颗粒容易形成导电链并且讨论复合材料的分散体系对复合材料的热导率的影响。进一步，我们讨论导热系数预测模型以及在以前的报告中提出的那些实验数据和预计形成导电链的效果的适用性，也就是说，在复合材料的分散状态，包括模型中的有关参数的

3、适用性。实验材料低分子量聚乙烯是用来作为基体材料。石墨是用来作为填充物。材料的一些性质如表1所示。表1 材料的性能材料密度（g/cm3）导热率（J/SOC）电导率（-1cm-1）低分子量聚乙烯0.9386.94×10-42.5×10-16石墨2.3070.5×10-11.4-2×103试样的制备试样制备的四种方法如下：（a） 粉末混合 试样是粉末状的聚乙烯和石墨混合成的混合物。（b） 溶液混合试样是石墨分散在溶解于甲苯的聚乙烯和融化后去除甲苯的混合物。（c） 双辊混炼混合试样是熔融聚乙烯与石墨在双辊混炼机中捏合成混合物。（d） 熔体混合试样是石墨直接分散

4、于熔融的聚乙烯体系中形成的混合物。测量电导率 高电阻材料的电导率的测量是由计算机辅助应用500VDC，低电阻率的材料 应用10 VDC。导热率 导热率的测量是利用Dynatech公司热导仪模型 TCHM-DV，这是基于比较法设计的。高硼硅玻璃制成的标准试样。试样尺寸为50毫米，直径5毫米。所有测量均在50 ±3°C。结果与讨论电导率图1 几种类型分散体系的复合材料的电导率图1显示了四种方法制备的复合材料的电导率。所有的电导率都是在低于某一填充分数（; PT）的基体聚合物时几乎一样，然后迅速增加。当超过临界体积分数（CVF），它们逐渐接近一定的价值。在这里，CVF被确定为低于

5、PT基值和饱和电导率之间的相应分数。PT被确定为相应的分数出现在快速增长的曲线的拐点。渗流阈值（PT）和临界体积分数（CVF）如表2所示：粉末混合<溶液混合=双辊混炼混合<熔体混合。有人认为粒子数目、相互接触可以减少它们之间的差距。表2 复合材料的导电特性粉末混合溶液混合双辊混炼混合熔体混合渗流阈值0.120.030.040.01临界体积分数0.150.100.100.06为什么溶液混合和双辊混炼混合的PTs、CVFs小于熔体混合解释如下:在双辊混炼混合中，聚集的石墨颗粒不能充分混合，因为熔融聚乙烯的粘度非常低。在溶液混合中，石墨颗粒能够环绕聚乙烯晶体在甲苯溶液中分离。因此，导电链

6、被认为是比溶液混合和双辊混炼混合更容易在熔融混合形成。在粉状混合中，由于石墨颗粒排列在环绕粉状聚乙烯（蜂窝）结构，形成导电链可以被认为是最简单的，因此，PT和CVF的是这种方法的最小。热导率 图2 几种类型分散体系的复合材料的热导率图2显示了四种方法制备的复合材料的热导率。它们的大小顺序是：熔体混合溶液混合双辊混炼混合粉末混合。通过总结这一结果与电导率的结果，可以清晰的知道复合材料越容易形成导电链结果复合材料的热导率越高。当石墨含量的增加到大约相当于复合材料导电率渗流点（图2）的体积含量时实验数据和欧肯麦克斯韦方程所预测曲线之间的差距变大。这一结果更清楚表明，易于形成导电链极大地影响了复合材料

7、的导热系数。导电模型实验数据中的应用已提出的若干理论和实证模型预测我们以前的报告中所讨论的两相系统模型的热导率，如式（1）所示，推导出证明与实验数据非常吻合，然而，已经有一些报告讨论了分散状态，即易于形成导电链和其在复合材料的导热系数的影响。在这份报告中，我们修改我们的模型，包括分散状态的参数，即缓解形成导电链，并与实验数据进行比较： （1）其中=导热复合材料，为1 =聚合物，2=导热填料的导热系数，填料：V =体积含量，C1=因素与聚合物的结晶度和晶体大小的影响，C2=容易形成导电填料链有关的因素。C2预计到与分散状态的变化而有所改变。图3 几种类型分散体系的复合材料的热导率图3显示了在这项

8、研究中制备的复合材料的热导率对石墨的体积含量的对数，所有的实验数据近似一条直线。因此，各种分散状态的复合材料的热导率可以式（1）表示。C1和C2的值，可以从实验数据的计算得到，如表3所示。C1按下列顺序降低：粉末混合溶液混合双辊混炼混合熔体混合；C2增加与上述相反：粉末混合溶液混合双辊混炼混合熔体混合。可以认为，引起C1和C2的变化的原因是易于形成的导电链分散状态的类型不同。表3 C1和C2值熔体混合双辊混炼混合溶液混合粉末混合C10.8880.9800.9671.007C22.3220.7180.073-1.880在复合材料的导电性中CVF值是一个表征形成导电链难易的有用指标。因此，C1和C2分别对CVF值绘制在图4和5。C1值随着CVF值升高而降低。据认为，聚乙烯和石墨界面的相互作用越强，CVF值越高，因为石墨颗粒阻碍聚乙烯的结晶。C2值随着CVF值升高而升高。据认为，石墨和聚乙烯