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导热弹性体材料 邹华 先进弹性体材料研究中心 主要内容 传热和物质的传热性 导热弹性体的原理和影响导热性的因素 导热弹性体的应用举例 （a）热界面材料 （b）轮胎导热胶 第一.传热和物质的导热性 热(Heat, Q)：由于温度差异造成的由一个物质或体系向其它体系转移的能量（energy）。 热量转移的三种主要机制 传导(Conduction); 对流(Convection); 辐射(Radiation). 热传导导热的机理 从微观意义上来讲，热传导是指热能通过热的快速运动的或者振动的原子或分子等微观粒子通过与其临接的微观粒子相互作用转移的过程。 固体传热有两种机制：自由电子传导和声子传导机理。 对于金属物质（导电性好的）：自由电子传热机制为主（以上95%）；在绝缘体中依靠声子传热。 声子与声子传热 在物理上，声子是指发生在刚性晶格中振动的一种模式。 物质传热方程（傅立叶方程） H：传热率（J/Sec, W） K：导热系数（W/(m.K)） R：热阻（K/W）, X:厚度（m） 几种物质的导热系数 单位：W/（m.K） 空气：0.025 聚丙烯塑料：0.12 橡胶：0.16 水：0.6 冰：2.0 玻璃：1.1 第二.导热弹性体的原理 填充导热机理——逾渗效应 在低导热的橡胶基体中填充导热填料，制备导热弹性体复合材料。 BN/MVQ导热橡胶导热性能与填料用量间的关系 影响导热弹性体复合材料导热性能的影响因素 导热填料的种类：金属粉/陶瓷填料 填充金属粉会获得导电/导热的复合材料 填充陶瓷填料会得到电绝缘、导热的复合材料 即使是同类的填料，结晶的结构也会对复合材料的导热性有很大的影响。 氧化铝粉末的WAXD衍射图 导热填料粒径——填料与基体间的热阻 导热填料的形状系数 导热填料的粒径匹配 导热填料的分散状态——分散均匀性 导热填料与橡胶基体间的界面结合状态 导热弹性体的应用——热界面材料 等离子体改性 Two-step procedure for preparation of PDMS coated alumina: (a) Solution dispersion coating; (b) Low temperature plasma treatment. 3. Plasma Modification of Alumina (Al2O3) HRTEM images of alumina powder (a) untreated (b) LSR-coated 2h plasma treated and 48h Soxhelt extraction with n-hexane (LP2-E-alumina). 导热弹性体的应用——长寿命轮胎 动态压缩疲劳性能 为了提高复合材料的动态性能，延长使用寿命，前人做了很多研究工作。 降低动态生热 ◆降低橡胶复合材料的动态生热，减少内部热量积聚，从而改善动态性能 及时导出生热 ◆提高橡胶制品热导率，及时导出内部生热，从而降低制品内部温度 使用低生热橡胶；改善填料分散状态； 通过表面改性改善填料与橡胶基体间的相互作用，等 填充钢丝纤维等导热物质，等 主要 研究思路 优点：从根源上解决内部的热量积聚 局限性：钢丝等材料对橡胶制品力学性能影响较大 优点：简单有效，目前得到广泛认可和应用 局限性：没有从根源解决热量积聚的问题 预期 目标 增强－导热，结构功能一体化 使用纳米级填料 高效增强 提高热导率 使用橡胶导热填料 导出制品内部热量 减少内部热量积聚 提高制品动态性能 延长制品使用寿命 控制动态生热 改善填料分散和界面 我的研究工作 赋予优异力学性能 制备新型增强导热橡胶复合材料 种类及用量 纳米氧化锌 填充体系 纳米氧化锌填充体系 (原位处理) 炭黑 填充体系 白炭黑 填充体系 EPDM 4045/phr 100 100 100 100 环烷油/phr 20 20 20 20 活性氧化锌/phr 5 5 5 5 硬脂酸SA/phr 1 1 1 1 促进剂TT/phr 1.5 1.5 1.5 1.5 促进剂M/phr 0.5 0.5 0.5 0.5 不溶性S/phr 1.5 1.5 1.5 1.5 防老剂4010NA/phr 0.5 0.5 0.5 0.5 填料/phr 纳米氧化锌变量 纳米氧化锌变量 80 (N330) 80 硅烷偶联剂Si69/phr — 8 — 8 实验配方 Nano-ZnO/EPDM复合材料的RPA分析 混炼胶G’随填料用量变化的对比关系图 填料分散不均匀网络化程度更强 Si69原位处理前 Si69原位处理后 纳米氧化锌在EPDM中的分散状态 Si69原位 处理前 硫化胶超薄切片TEM 填料用量180份 体积分数约18% Si69原位 处理后 Si