УДК 536.2
DOI: 10.18503/1995-2732-2020-18-4-57-64
Аннотация
Приведены модели для расчета теплопроводности композиционных материалов на основе полимерных связующих (силикон, полиуретан, эпоксидная смола) с одним или двумя видами мелкодисперсных минеральных наполнителей. Построение моделей основано на теории обобщенной проводимости с учетом эффекта инверсии компонент. Путем сравнения расчетов с экспериментами оценены значения параметров расчетных моделей: теплопроводность агрегатов наполнителей при различных связующих, коэффициенты инверсии связующее-наполнитель в формулах Оделевского и Миснара, параметр влияния отношения теплопроводностей наполнителя и связующего в модифицированной формуле Бургера. Для минеральных порошков в состоянии свободной засыпки (в воздушной среде) зависимость эмпирического коэффициента С в формуле Бургера от отношения теплопроводностей порошка и воздуха имеет некоторые отличия ввиду того, что дисперсная фаза в воздушной среде имеет гораздо больше возможностей по изменению положения частиц в пространстве и образованию контактов и «проводящих каналов», «разрушающих» изолированность твердой фазы и увеличивающих тем самым эффективную проводимость смеси. В представленной работе измерена теплопроводность порошков в состоянии свободной засыпки, для которых был проведен анализ по модифицированной формуле Бургера. Показано, что теплопроводность агрегатов существенно ниже теплопроводности кристаллических частиц наполнителя, но близка к теплопроводности порошковых керамик или спеченных порошков, что объясняется образованием агрегатов, эффективная теплопроводность которых существенно ниже теплопроводности кристаллических частиц. Оцененные значения параметров расчетных моделей для широкого круга наполнителей и различных связующих позволяют прогнозировать теплопроводность вновь разрабатываемых композиций функциональных материалов, например по модифицированной формуле Бургера с погрешностью в пределах ±20% (Р=0,95).
Ключевые слова
Композиционный материал, полимерное связующее, мелкодисперсный наполнитель, модель теплопроводности, теория обобщенной проводимости, инверсия компонент, параметры модели, теплопроводность агрегатов частиц наполнителя, эффективная теплопроводность композиции.
Для цитирования
Сулаберидзе В.Ш., Скорнякова Е.А. Оценка параметров расчетных моделей теплопроводности композиционных материалов с полимерным связующим по экспериментальным данным // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2020. Т.18. №4. С. 57–64. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2020-18-4-57-64
1. Эдвабник В.Г. К теории обобщенной проводимости смесей // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1–2. С. 76.
2. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. 464 с.
3. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматгиз, 1962. 456 с.
4. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.
5. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. М.: Химия, 1976. 215 с.
6. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов: учебное пособие. М.: МГУ, 2010. 99 с.
7. Сулаберидзе В.Ш., Мушенко В.Д., Михеев В.А. Теплопроводность гетерогенных композиций на основе полимеров с минеральными наполнителями: монография. СПб.: ИПФ «Реноме», 2016. 92 с.
8. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш., Мушенко В.Д. Моделирование теплопроводности трехкомпонентных композиций // Изв. вузов. Приборостроение. Т. 59, № 7. 2016. С. 7–14.
9. Кириллов В.Н., Дубинкер Ю.Б. и др. Теплопроводность систем, кремнийорганический эластомер – порошкооб-разный минеральный наполнитель // ИФЖ. Т. ХХIII, №3. 1972. URL: http://www.viam.ru/public.
10. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш., Мушенко В.Д. Исследование теплопроводности композиционных материалов на основе силикона с наполнителями // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 7. С. 167–172.
11. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш. Расчетно-экспериментальные исследования эффективной теплопроводности композиционных материалов на основе полимеров // Мир измерений. № 3 (175). 2017. С. 26–28.
12. Agrawal A., Satapathy A. Mathematical model for evaluating effective thermal conductivity of polymer composites with hybrid fillers // Intern. J. of Thermal Sciences. 2015. Vol. 89. Р. 203–209.
13. Xua J., Gaoa B., Dua H., Kanga F. A statistical model for effective thermal conductivity of composite materials // In-tern. J. of Thermal Sciences. 2016. Vol. 104. Р. 348–356.
14. Xu J.Z., Gao B.Z., Kang F.Y. A reconstruction of Maxwell model for effective thermal conductivity of composite mate-rials // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 102. N 6. Р. 972–979.