碳纳米管/橡胶复合材料导热机理及构效关系研究

In this project the thermal conduction mechanism of rubber composites filled carbon nanotubes which interact each other, will be studied by using the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiment. The relation of thermal conduction properties of rubber composites and alignment, structure features, arrangement and aggregation of carbon nanotubes will be revealed. The phonon heat transfer mechanism of CNT-CNT boundary and CNT-rubber boundary will be explored. The effect of percolation on thermal transfer of composites, and the change law of ballistic transport of phonon will be revealed. The microscopic mechanism of thermal transfer of rubber filled carbon nanotubes will be recognized. By using experiment the carbon nanotubes will be aligned in rubber. The microscopic structure of rubber composites will be represented. The thermal conductivities of rubber composites will be experimentally measured. The theory model of thermal conduction will be established and the thermal conduction equation will be obtained. The purpose of this project is to master the thermal conduction mechanism of rubber composites filled carbon nanotubes and to recognize the phonon thermal transfer mechanism. And the results will provide important scientific basis for the study of rubber composites with better thermal conduction properties. The research of this project has scientific significant value and great engineering value. In this project thermal science and material science will be combined. Then the new scientific finding will be obtained by the discipline crossing. The research view on the higher conductivity rubber composites will be greatly expanded.

本项目从碳纳米管与橡胶基体相互作用的导热机理出发，采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法，揭示碳纳米管取向、结构特征、排列规律、聚集等与橡胶基复合材料导热性质间的关联性规律，探索碳纳米管间、碳纳米管与橡胶间接触界面的声子热传输规律，揭示碳纳米管自身声子弹道式热传输的变化规律及导热逾渗效应，认识热量传输微观机制；实现碳纳米管在橡胶中的取向控制，对复合材料的微观结构特征进行表征；完成导热性能的测试，获取反映复合材料导热性质的基础数据；建立理论分析模型，获得导热性质参数与各构象参数之间的"构效关系"。目的是从机理上掌握碳纳米管增强橡胶基复合材料的导热机制，认识复合材料声子热传输规律，为后续研制具有优良导热性能的橡胶基复合材料提供重要的应用基础性科学依据，科学意义和工程实用价值显著。研究结合热学和材料科学，学科交叉有望取得新的科学发现，其成果将拓展高导热橡胶复合材料研究的视野。

本项目采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法研究碳纳米管/橡胶复合材料的导热机理及构效关系。项目研究提出了一种橡胶复合材料室温硫化工艺，研制出一套流场剪切诱导取向装置和一套旋转式高磁强电磁铁装置，分别实现了碳纳米管在橡胶基体中分布的流场取向和电磁场取向控制；碳纳米管定向填充橡胶复合材料导热性能研究发现，采用力场取向、流场剪切诱导取向和磁场取向均可实现碳纳米管在橡胶基体中的定向，并大大提高沿碳纳米管取向轴线方向复合材料的导热系数；有限元、分子动力学和格子玻尔兹曼方法模拟对等效导热模型的研究表明界面热阻是限制碳纳米管/橡胶复合材料导热性能提高的关键，并通过模拟结果与实验、理论结果的对比分析建立了考虑界面热阻的碳纳米管/橡胶复合材料导热分析模型。项目研究探明了导热系数与碳纳米管取向、用量和界面等构象参数之间的“构效关系”，从机理上掌握了碳纳米管/橡胶复合材料的导热性能调控，制备了综合性能优异的碳纳米管/橡胶复合材料。项目组在此基础上开展了相关工程应用推广工作，通过碳纳米管预分散开发的碳纳米管橡胶母料改善了碳纳米管在橡胶中应用的团聚问题；碳纳米管结合普通橡胶填料协同使用的双元复合填料体系研究不仅能明显提高碳纳米管/橡胶复合材料制品的导热性能、耐磨性能、力学性能，延长使用寿命，还可大大降低碳纳米使用带来的成本的增加。项目研究结合热学和材料科学，学科交叉取得了许多计划中没有的新发现。研究成果兼具科学理论和实际应用的提高，相关成果已为社会和合作企业创造了一定的经济效益和社会效益。