石墨/PTFE复合材料导热性能的数值模拟

       有限元数值模拟可看作在计算机上进行的模型实验，在模型体系上获得的信息比在实际体系上所作的试验更为详细。介绍了利用ANSYS的参数化有限元分析技术数值模拟的模型、原理及精度，并获得了系列化的数据，为石墨/PTFE复合材料的导热性能设计提供了参考依据。

       聚四氟乙烯(PTFE)以其无可比拟的耐腐蚀和不结垢等性能引起广泛关注，特别是在腐蚀性环境的石油化工热交换设备方面尤为突出。为改善PTFE的自身弱点（如导热性能差），与换热设备相关的复合改性研究也成为热点问题。石墨具有可与金属媲美的导热性能，且能与多数聚合物有较好的相容性，同时也具有良好的耐腐蚀性，是增强PTFE符合材料导热性能的最佳选择。

       预测导热粒子填充聚合物两相复合材料的有效热导率的方法的研究，从百年前的Maxwall开始就引起了理论界的极大关注，大量的研究工作产生许多关于有效热导率理论预测模型表达式，这些模型主要表达了有效热导率与组成项的热导率及其体积分数的关系。而大量的试验表明用组分热导率和体积分数的函数很难准确预测复合材料的有效热导率。

       计算机技术与数值模拟技术的发展给运用数值模拟研究有效热导率提供了一种有效的方法，如有限差分法、有限元法、Monte Carlo模拟及分子动力学模拟等。I．V．Belova 等用Monte Carlo方法来模拟热量运输，假定填充粒子没有接触、二组成相密度与比热容相同且粒子呈球形或立方体并均布，模拟结果与Maxwell的结果基本一致。J．K Carson等用二维有限元模型进行模拟试验，考察了多子L填充物对当量热导率的影响。Dilek Kumlutas[5]采用有限差分法求解了颗粒填充聚合物复合材料的有效热导率，Zhang根据有限差分计算结果，给出了基于分散相质量分数和密度的有效热导率计算公式。文献[7]探讨了分子动力学模拟热导率的相关问题，指出分子动力学方法是研究微尺导热问题的有效手段，但是在建立模型系统和算法、边界条件、系统内部热流计算等问题上，还存在一些分歧。相比而言，有限元法不受固定节点位置的限制，更适合于不规则几何体和空间变化的情况，在运算过程方面更具优势。

       有限元数值模拟可看作在计算机上进行的模型实验，在模型体系上获得的微观信息常常比在实际体系上所作的试验更为详细。数值模拟固体复合材料有效热导率是一种高效的手段，它具有突出的特点：高精度，不需要过多的假设，可以模拟各种分散相状态下的有效热导率。

       本文利用ANSYS的参数化有限元分析技术对复合材料导热性能进行数值研究，获得了一系列的模拟数据，为PTFE复合材料的导热性能设计提供了参考依据。

资料下载：   石墨_PTFE复合材料导热性能的数值模拟_2007.pdf