纳米复合橡胶材料的界面结构特征及导热机理研究

本项目围绕纳米尺度填料对橡胶复合材料导热性能影响的关键问题，采用纳米复合技术实现导热填料与橡胶基体的纳米复合，并基于纳米材料的微尺度结构特征及其表征，开展热传导机理的理论与实验研究，探讨填料与橡胶间界面相互作用规律，建立起界面结构特征与微观表征参数之间的内在联系；建立界面热阻分析模型，实现界面热阻的分子动力学模拟，掌握界面处热量通过声子进行传递的传输机制，获得界面结构各种表征参数与界面热阻之间的内在联系方程；通过对复合材料热量传递的理论分析，建立导热理论模型，掌握界面热阻与材料导热参数之间的内在联系，获得考虑界面热阻的纳米复合材料热导率计算方程。本项目的开展对揭示纳米橡胶复合材料的导热机理具有重要意义，研究结果有助于实现纳米橡胶复合材料的性能优化，又具有重要的工程应用价值。本项目将热学和材料科学结合起来，有助于促进相关学科的交叉与发展。

导热橡胶广泛应用于国民经济和军事领域，对其导热性能的研究是目前的热点。本项目实验研究了填料的品种、尺寸、形态、用量、改性方法和工艺及复合工艺对于导热性能的影响。采用分子动力学方法研究了复合界面结构、界面热阻与复合体系导热性能的关系。采用均匀化理论建立了导热模型，研究了界面特征对于导热性能的影响，获得了包含界面相的热导率预测方程。结果表明，填料对导热性能的影响与导热网链和复合界面状况密切相关。片状填料更易形成搭接网链，其次是晶须状，颗粒状填料形成导热网链的能力较差，且填料的影响随用量的变化而不同。恰当的填料表面处理和纳米复合工艺可以使得基体导热性能得到更佳的改善。良好界面相的存在对于复合材料的导热性能起到积极的作用，随着界面相厚度的增加，复合材料的热导率逐渐增加。填料高填充份数时界面相对于导热性能的影响不容忽略。复合界面处作用力相对强的键连接并不能有效地降低界面热阻。考虑界面相，得到修正的Maxwell模型，对于复合体系导热系数的预测结果在一定界面相厚度时接近实验值。