碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法技术

本发明专利技术提出了碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法，属于导热材料技术领域。碳纤维增强复合材料在纤维方向上的热传导性能优异，但在横向上的热传导性能较差，通过添加碳纳米管可以显著提高横向热传导性能，对于如何获得添加碳纳米管后复合材料的热传导系数目前还是空白。本发明专利技术建立了碳纳米管纤维增强复合材料的热传导等效模型，及该模型的六边形等效单胞及解析表达式，能够快速计算出三相(碳纳米管、碳纤维、树脂基体)复合材料的轴向和横向热传导系数，且该方法的计算程序可封装为一个黑匣子，实现快速的输入输出计算，弥补这种材料热传导计算的空白，具有建模高效、适用范围广、等效精度高、程序实现简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法
本专利技术属于导热材料
，具体涉及一种碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算建模方法。
技术介绍
热耗散在许多领域都是需要重点考虑的问题，比如微电子，运输，换热器、航空航天等。近年来，对各类结构的热管理要求越来越高，在较短时间内把结构产生的温度及时排出，降低结构因为过热导致损坏的几率，延长产品是使用寿命，提高产品的质量。一个合理的热扩散系统能够快速散热，来预防由热应力导致的损伤。选择合适的导热材料来满足特定设计要求非常重要。纤维增强复合材料由于其高比强度和比刚度，优异的抗疲劳性能，且纤维方向的热传导系数高，被广泛应用于热结构产品的制造。普通的碳纤维增强复合材料的轴向热传导性能主要取决于碳纤维的热扩散性能，但由于高分子基体材料的绝热性，其横向的热传导性能非常差。碳纳米管具有低密度，高热传导性能等优点，常作为增强热传导的添加材料。目前许多实验表明，少量的碳纳米管添加到普通复合材料中都能够大幅提升复合材料的横向热传导性能。现有涉及碳纳米管复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：将碳纳米管纤维增强复合材料的有效热传导系数分为：沿着纤维方向的纵向有效热传导系数

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将碳纳米管纤维增强复合材料的有效热传导系数分为：沿着纤维方向的纵向有效热传导系数和垂直于纤维方向的横向有效热传导系数
步骤2：根据复合材料中碳纳米管的混合率得到复合材料的纵向有效热传导系数
步骤3：建立横向有效热传导系数的多尺度计算模型：
步骤3.1：对于周期性排列的复合材料结构，建立一个具有重复代表性单胞的多尺度计算模型，所述的多尺度计算模型包含两个尺度的六边形代表性体积元：其中一个是由碳纳米管和基体组成的两相代表性体积元，另一个是由纤维、基体和夹层组成的三相代表性体积元；
所述的夹层为简化的碳纳米管沿纤维表面的周向排布结构，将六边形代表性体积元的边长定义为单胞的尺寸L，将纤维的半径定义为a，将碳纳米管的长度定义为b，当a＝b时，三相代表性体积元即简化为两相代表性体积元；
步骤3.2：建立横向有效热传导系数的模型解析式：
步骤3.2.1：通过求解极坐标下的正交各向异性材料的稳态热传导微分方程，得到复合材料中各相材料温度场的级数展开表达式：
步骤3.2.2：根据步骤3.2.1得到的级数展开表达式，结合热通量与温度场梯度的关系，得到复合材料晶胞中各相组分的相应热通量解析表达式，表示为：






其中，分别为笛卡尔坐标系下2方向和3方向的宏观温度梯度；和分别表示柱坐标系r方向和柱坐标系θ方向上的热通量，是第i相的待求未知系数，其中i＝f代表纤维，i＝int代表夹层，i＝m代表基体材料，下标j是待求未知系数的编号；
步骤3.2.3：针对复合材料晶胞中各相材料的诸多未知系数通过纤维和夹层、夹层和基体界面的温度与热通量连续条件，以及在晶胞边界处的周期性边界条件进行求解；
步骤3.2.4：根据均匀化的傅里叶热传导准则计算整个碳纳米管纤维增强复合材料的横向有效热传导系数
步骤4：根据步骤3建立的横向有效热传导系数的多尺度计算模型，首先计算碳纳米管和基体组成的夹层的正交各向异性等效热传导系数，再计算纤维、基体和夹层组成的三相材料热传导系数所述的三相材料热传导系数即碳纳米管纤维增强复合材料的有效热传导系数。


2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管纤维增强复合材料有效热传导系数的多尺度模型计算方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冠楠，田莉，彭雅慧，潘剑超，赵海涛，徐荣桥，陈吉安，
申请(专利权)人：浙江大学，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33