高导热先进复合材料设计制备及应用技术研究

论文摘要

材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域,尤其在化工、石油、机械、纺织、冶金、航天航空、国防等工业部门更为突出。腐蚀不仅给社会带来巨大的经济损失,造成灾难性事故和危及人身安全,耗竭宝贵的资源和能源,污染环境,而且阻碍了高科技的正常发展。本文研究的高导热先进复合材料是一种耐苛性腐蚀介质,并具有良好力学性能、优良导热功能的新材料,可望用于苛性腐蚀环境下使用的紧凑换热器的制造。本文研究的主要内容有:聚合物基导热材料制备技术;聚合物基导热材料的热导率测试技术;聚合物基导热材料的逾渗导热模型;高导热先进复合材料的制备技术;高导热先进复合材料板翅式换热器的设计与制备工艺技术。高导热先进复合材料是以聚四氟乙烯（PTFE）材料为基体,通过导热改性和采用碳纤维定向增强复合技术制备的一种新材料,具备以下特点:①优良的耐腐蚀性能,使用介质和环境与聚四氟乙烯材料相仿;②良好的耐热性能,使用温度为-100℃～250℃;③良好的导热性能和换热效果,复合材料的热导率是聚四氟乙烯热导率5倍以上,而且在使用过程中不结垢,能长期保持热交换能力;④优良的综合力学性能和使用寿命,先进复合材料的拉伸强度是聚四氟乙烯材料的3～5倍,而且没有聚四氟乙烯的冷流现象,可以作为结构材料使用;⑤良好的加工性能和成型性能,可以进行焊接、热压等二次成型,为防腐蚀过程装备的设计和制造提供了经济可行的工艺技术。聚合物基导热材料的研究,选用聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）为基材,高导热性能的石墨、铝粉和铜粉作为导热填料进行改性。对导热材料的导热和机械性能的试验证明: PP为基材时,导热填料的粒径、含量对材料的导热性能有明显的影响,填料的粒径越小、含量越高,则改性材料的导热性能越好。如石墨的质量含量由15%增加到60%时,石墨/PP改性材料的热导率由0.34 W/（m·K）增加到3.1W/（m·K）,是纯聚丙烯树脂热导率的十几倍,但改性材料的拉伸强度和冲击强度只有PP材料的一半左右,综合力学性能下降很多。同样,对于石墨/PTFE改性导热材料,石墨的质量含量为30%时,改性材料的热导率达到1.2W/（m·K）,当石墨质量含量为50%时,热导率提高到2.5W/（m·K） ,是纯PTFE树脂热导率的10倍以上,但改性材料的拉伸强度只有PTFE材料的25%左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 填充型聚合物基导热材料的研究和应用现状
• 1.2.1 填充型聚合物基导热材料的研究现状
• 1.2.2 填充型聚合物基导热材料的应用
• 1.3 聚合物基导热材料的导热机理及理论模型的研究进展
• 1.3.1 填充型聚合物基导热材料的导热机理
• 1.3.2 填充型聚合物基导热材料的理论模型的研究进展
• 1.4 逾渗理论及其在材料领域中的应用
• 1.4.1 逾渗理论简介
• 1.4.2 逾渗理论在材料学领域中的应用
• 1.4.3 填充型导电高分子复合材料的逾渗理论研究进展
• 1.5 高导热先进复合材料的研究思路和主要研究内容
• 1.5.1 填充型聚合物基导热材料研究中存在的问题
• 1.5.2 高导热先进复合材料主要原料的选用
• 1.5.3 高导热先进复合材料的研究目的和研究思路
• 1.5.4 高导热先进复合材料的主要研究内容
• 1.5.5 高导热先进复合材料的主要技术指标
• 参考文献
• 第二章 填充型聚合物基导热材料的研究
• 2.1 填充型导热聚丙烯（PP）材料的研究
• 2.1.1 石墨/聚丙烯（PP）改性材料的制备
• 2.1.2 石墨/聚丙烯（PP）改性材料的研究
• 2.1.3 铝粉/聚丙烯（PP）改性材料的研究
• 2.2 高导热聚四氟乙烯（PTFE）改性材料的研究
• 2.2.1 石墨/聚四氟乙烯（PTFE）改性材料的制备
• 2.2.2 石墨和聚四氟乙烯（PTFE）共混形貌结构分析
• 2.2.3 石墨/聚四氟乙烯（PTFE）改性材料的导热性能
• 2.2.4 石墨/聚四氟乙烯（PTFE）改性材料的力学性能
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 高导热先进复合材料的研究
• 3.1 高导热先进复合材料研制的设计思想
• 3.1.1 热塑性聚合物基导热材料存在的缺陷
• 3.1.2 高导热热塑性先进复合材料的设计思想
• 3.2 碳纤维的表面处理方法及选择
• 3.3 石墨/聚丙烯/纤维复合材料的研究和制备技术
• 3.3.1 长玻璃纤维/聚丙烯复合材料的研究
• 3.3.2 连续碳纤维/石墨/聚丙烯导热材料的研究
• 3.4 碳纤维/石墨/聚四氟乙烯复合材料的研究和制备技术
• 3.4.1 连续碳纤维增强石墨/聚四氟乙烯复合材料的制备
• 3.4.2 复合材料中碳纤维与基体界面情况分析
• 3.4.3 碳纤维/石墨/聚四氟乙烯复合材料的力学性能
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 复合材料热导率的测试技术
• 4.1 材料热导率测量原理
• 4.2 固体材料导热系数的测量方法
• 4.2.1 固体材料热导率的稳态测量
• 4.2.2 固体材料热导率的非稳态测量
• 4.3 准稳态法导热测试仪的研制
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 填充型聚合物基导热材料的逾渗导热模型和预测方程
• 5.1 逾渗理论在填充型聚合物基导热材料中应用的设想
• 5.2 填料在填充型聚合物基导热材料中的分布状态和几何结构
• 5.3 填充型聚合物基导热材料的导热模型
• 5.4 填充型聚合物基导热材料的海岛结构导热模型
• 5.4.1 海岛结构模型导热材料的热导率方程
• 5.4.2 海岛结构导热材料的热导率预测与实验
• 5.4.3 对海岛结构聚合物基复合材料导热性能的讨论
• 5.5 填充型聚合物基导热材料的逾渗导热模型
• 5.5.1 填充型聚合物导热材料的主要导热模型与实验结果之间的误差
• 5.5.2 填料在聚合物复合材料中的实际分布状态与逾渗理论
• 5.5.3 填充型聚合物导热材料的逾渗模型热导率方程
• 5.5.4 逾渗模型与Agari 模型和实验结果的比较
• 5.5.5 对逾渗模型热导率方程的讨论
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第六章 高导热先进复合材料换热器的设计与制备工艺
• 6.1 板翅式换热器的发展概况及应用
• 6.1.1 板翅式换热器的特点和应用领域
• 6.1.2 板翅式换热器的使用材料和制备工艺
• 6.2 高导热先进复合材料换热器的结构设计
• 6.2.1 氟塑料换热器的结构设计和特点
• 6.2.2 高导热先进复合材料翅板－抽屉式换热器的结构设计
• 6.3 高导热先进复合材料换热器的制备工艺技术
• 6.3.1 氟塑料的粘接和焊接技术
• 6.3.2 高导热先进复合材料换热器的制备工艺技术
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 问题和建议
• 成果：攻读学位期间发表的学术论文、专利和科研工作
• 致谢