【摘要】：面對嚴峻的能源格局和環(huán)境形勢,發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)對我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略至關(guān)重要。研發(fā)低能耗、低排放、低成本的新型導(dǎo)熱材料,不僅能替代高能耗、高排放、高成本的傳統(tǒng)材料,減小傳統(tǒng)材料的市場規(guī)模,促進產(chǎn)業(yè)升級,而且能提高傳熱效率,進而提高能源利用率。聚合物材料性能優(yōu)異、清潔環(huán)保,高導(dǎo)熱聚合物的研究能夠使其未來應(yīng)用于廣闊的傳熱領(lǐng)域,對于我國實現(xiàn)節(jié)能減排目標有著重要戰(zhàn)略意義。本文首先介紹了聚合物導(dǎo)熱研究中聲子輸運理論的重要性,闡明了分子動力學(xué)模擬方法研究聚合物導(dǎo)熱性質(zhì)及機理的優(yōu)勢,并簡要介紹了聲子輸運理論中與聚合物相關(guān)的重要概念,以及使用分子動力學(xué)方法研究聚合物導(dǎo)熱問題的重要概念和計算方法。聲子輸運理論與分子動力學(xué)模擬相結(jié)合,為研究聚合物及其復(fù)合材料內(nèi)導(dǎo)熱過程及機理提供了有效手段。對于高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料,本文提出了一種單壁碳納米管(SWCNT)/聚乙烯(PE)定向復(fù)合結(jié)構(gòu),研究了PE鏈數(shù)對定向復(fù)合結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)熱性能的影響,評價了SWCNT和PE鏈的導(dǎo)熱貢獻,分析了定向復(fù)合結(jié)構(gòu)中PE鏈導(dǎo)熱性能的變化。結(jié)果表明,定向復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能得到了顯著提升。PE鏈對整體導(dǎo)熱性能的平均貢獻率達到了~30%,SWCNT與PE鏈的非鍵相互作用使PE鏈導(dǎo)熱性能平均提升了23%左右,其導(dǎo)熱性能的提升對整體性能的增強非常關(guān)鍵。其次,本文發(fā)現(xiàn)了SWCNT中PE分子的質(zhì)量輸運現(xiàn)象,分析了該現(xiàn)象的形成機理,使用了簡化SWCNT研究了PE分子自遷移現(xiàn)象與多個參數(shù)之間的關(guān)系,并提出了一種SWCNT-PE納米熱管。結(jié)果表明,溫度、PE分子長度和勢阱深度能夠顯著影響PE分子的自遷移行為。在工作溫度500K時,封裝密度為7×10~(13) cm~(-2)的SWCNT-PE納米熱管陣列,換熱系數(shù)可達到450 WK~(-1)cm~(-2),具有應(yīng)用于納米尺度熱管理和界面?zhèn)鳠岬臐摿�。該研究豐富了自遷移現(xiàn)象的質(zhì)量輸運理論,有利于納米尺度熱量和質(zhì)量輸運器件的設(shè)計。最后,本文提出了使用分叉樹枝構(gòu)建聚合物復(fù)合材料中的高導(dǎo)熱通道,分別使用PE和PA鏈構(gòu)建了分叉樹枝結(jié)構(gòu),并模擬了PE/PA-CNT微觀界面熱導(dǎo)以及它們復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明,PE/PA-CNT樹形結(jié)構(gòu)將原始CNT的作用范圍擴大了25倍,而且在其作用范圍內(nèi),界面熱導(dǎo)也得到了顯著提高,高導(dǎo)熱通道能夠提升和完善導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的完整性和高效性。然后研究了PE/PA-CNT在PE基體中的性能,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)得到了明顯提高,分叉樹枝構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道能夠調(diào)控復(fù)合材料中的熱量輸運,重新分布體系溫度場,提升填充粒子之間的微觀界面輸運性能,該研究有助于制造具有高導(dǎo)熱通道的聚合物復(fù)合材料。對于本征型高導(dǎo)熱聚合物材料,本文研究了聚乙烯單鏈的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、應(yīng)變的關(guān)系,然后使用原子質(zhì)量修飾模型模擬了官能團對碳鏈聚合物單鏈導(dǎo)熱性能的影響,并且使用聲子頻譜揭示了以上因素與導(dǎo)熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明,PE單鏈的導(dǎo)熱性能隨著溫度升高而降低,拉伸應(yīng)變會顯著增強導(dǎo)熱性能。對碳鏈聚合物單鏈導(dǎo)熱系數(shù)的研究表明,原子質(zhì)量修飾會改變主鏈上碳原子的聲子頻譜,從而顯著影響碳鏈上的熱量輸運。此外,本文使用PVA和PP對比研究了拉伸作用和氫鍵作用對聚合物結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱的影響。結(jié)果表明,在不拉伸狀態(tài)下,氫鍵聚合物材料PVA的導(dǎo)熱性能遠高于非氫鍵聚合物材料PP。氫鍵使得PVA在拉伸作用下具有更好的定向效果,在拉伸狀態(tài)下,PVA納米纖維的導(dǎo)熱系數(shù)增長量要明顯高于PP。在氫鍵和拉伸共同作用下,PVA納米纖維的導(dǎo)熱系數(shù)達到了PP納米纖維的3~4倍,體現(xiàn)了拉伸作用和氫鍵作用對聚合物導(dǎo)熱增強的協(xié)同作用。對聚合物復(fù)合材料,本文分別從填充物與基體取向性的耦合作用關(guān)系、填充物之間界面等方面展開工作;對于本征型聚合物材料,本文分別從官能團對單鏈導(dǎo)熱性能的影響、拉伸和氫鍵作用對導(dǎo)熱增強的協(xié)同作用方面展開工作。研究結(jié)果體現(xiàn)了一般性的研究思路,對高導(dǎo)熱聚合物材料的研究具有積極意義。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O631.2
【圖文】：

圖 1-1 1900-2000 年全球能源消耗[3]用于能源、化工、電力、冶金、醫(yī)藥和食品等行質(zhì)和熱交換過程的工藝和設(shè)備所占的比重超過 9作為重要過程的設(shè)備，各式各樣的換熱器在各行來越大的作用。一般情況下，特別是在壓力和溫度換熱器。傳統(tǒng)金屬材質(zhì)換熱器在余熱回收、迅速泛，但由于不耐腐蝕、易結(jié)垢、不易成型、質(zhì)量到限制，如化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換的冷卻器等。此外，鋼鐵行業(yè)作為高能源消耗、占全球產(chǎn)量的 36.4%，而碳排放量卻占全球碳排排所面臨的壓力非常大[4]。為實現(xiàn)冶金行業(yè)的節(jié)新的冶金工業(yè)和節(jié)能減排技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)過程低也是實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵一環(huán)。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文阻占主導(dǎo)的應(yīng)用場合，由于優(yōu)良的抗腐蝕性和低廉的制造成本，聚合物換熱器比金屬換熱器具有更好的經(jīng)濟效益。另外，相較于鋼鐵行業(yè)，由于聚合物材料生產(chǎn)過程中較低的能源消耗、較低的大氣排放量，大規(guī)模地使用聚合物制造換熱設(shè)備可有效地減少鋼鐵的使用量，進而降低鋼鐵行業(yè)的能源消耗和碳排放，可促進我國節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

3圖 1-3 使用不同材料制造的一種海水/甲烷平行板換熱器的性能系數(shù)[5]，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電子器件向高度集成化、小型化發(fā)展，電速增加，而且尺寸的減小使得封裝結(jié)構(gòu)更為緊密，有效地組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱量若因散熱差而聚集，儀器設(shè)備的性能穩(wěn)定性將受到嚴重“10℃法則”指出，電子器件工作溫度每升高 10℃，其失效率將升另外，統(tǒng)計表明散熱不良所致的電子產(chǎn)品失效達到了 55%[6]，所以高

【參考文獻】

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1 邢玉雷;徐克;劉艷輝;張令品;齊春華;;石墨烯高導(dǎo)熱機理及其強化傳熱研究進展[J];化學(xué)工程師;2015年05期

2 陳飛;顏春;劉玲;祝穎丹;劉俊龍;;石墨烯填充高導(dǎo)熱塑料研究進展[J];塑料科技;2015年01期

3 吳娟霞;徐華;張錦;;拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J];化學(xué)學(xué)報;2014年03期

4 彭旭;李典奇;彭晶;彭樂樂;吳長征;謝毅;;二維石墨烯和準二維類石墨烯在全固態(tài)柔性超級電容器中的應(yīng)用[J];科學(xué)通報;2013年Z2期

5 汪文;丁宏亮;張子寬;沈烈;;石墨烯微片/聚丙烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備與性能[J];復(fù)合材料學(xué)報;2013年06期

6 張富信;張杰;費頎田;;研究開發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù) 降低冶金行業(yè)碳排放[J];新材料產(chǎn)業(yè);2010年08期

7 顧正彬;季根華;盧明輝;;二維碳材料——石墨烯研究進展[J];南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年03期

8 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進展[J];化學(xué)進展;2009年12期

9 張興軍;王明明;;AlN/線性低密度聚乙烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及性能[J];機械工程材料;2008年10期

10 劉祥寬;Mehari Salomon;胡獻國;;基于球型填充相復(fù)合材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的計算[J];合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年09期

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1 徐圖;微電子封裝器件熱失效分析與優(yōu)化設(shè)計[D];南京理工大學(xué);2016年

2 江悅;石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

3 王剛;柔性石墨基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及性能研究[D];清華大學(xué);2015年

4 李小奇;界面聚合法改性導(dǎo)熱填料制備導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

5 陳金;無機納米粒子的選擇分布及其復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2015年

6 陸濵;導(dǎo)熱型金剛石—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究[D];吉林大學(xué);2013年

7 郭文滿;石墨烯導(dǎo)熱納米復(fù)合材料的研究[D];華僑大學(xué);2013年

8 劉慶華;超細氮化鋁填充改性環(huán)氧樹脂的研究[D];蘇州大學(xué);2005年

本文編號：2744259