Теплопроводность углепластика: (PDF) High thermal conductivity carbon fiber reinforced polymer based on a carbon fiber from pitch and dispersed-filled ENPB matrix

Содержание

(PDF) High thermal conductivity carbon fiber reinforced polymer based on a carbon fiber from pitch and dispersed-filled ENPB matrix

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

pitch, carbon powder of high thermal conductivity, physico-mechanical and

thermophysical characteristics of carbon fiber reinforced polymer.

В настоящее время в ракетно-космической технике (РКТ) востребованы

конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ), способные

работать без изменения геометрических размеров в интервале температур от ми-

нус 150 °С до плюс 150 °С. Производство таких ПКМ необходимо в связи с соз-

данием нового поколения спутников связи, дистанционного зондирования Земли

(ДЗЗ) и орбитальных комплексов.

Для обеспечения большей многозадачности современные космические

средства телекоммуникации, навигации и геодезии оснащаются все более слож-

ным и энергоемким оборудованием. В перспективных КА и модулях находится

множество бортовой аппаратуры, обладающей повышенным энергопотреблени-

ем (более 8 кВт) и, соответственно, большим тепловыделением за счёт работы

электрооборудования. Для работы бортовой аппаратуры в эксплуатационном

диапазоне температур необходимо снижение температурных деформаций, и, как

следствие, применение теплообменных аппаратов из материалов с высокой теп-

лопроводностью. Существующие на сегодняшний день теплообменные аппараты

из алюминия не в полной мере соответствуют требованиям массовой эффектив-

ности конструкции, а углепластики типа КМУ-4Л и КМУ-4Э обладают низкой

поперечной теплопроводностью (около 0,85 Вт/(м·К)), что не позволяет обеспе-

чить эффективный теплоотвод при все более энергоемком бортовом оборудова-

нии. В связи с этим, проводится разработка технологии изготовления высокотеп-

лопроводного углепластика, а также деталей и конструкций на его основе в инте-

ресах ряда предприятий РКТ.

Для изготовления высокотеплопроводного углепластика авторами в ОАО

«Композит» ранее была проведена работа по выбору углеродного волокна. Уста-

новлено, что наибольшей теплопроводностью обладают углеродные волокна на

основе пека [1-4]. Но поскольку в настоящее время в РФ только ведется разра-

ботка таких волокон, то для отработки технологических режимов изготовления

высокотеплопроводного углепластика применялось зарубежное пековое волокно

Granoc XN-90-60S, обладающее комплексом физико-механических характери-

стик, характерных для углеродного волокна на основе пека: высоким модулем

упругости и коэффициентом теплопроводности, низким относительным удлине-

нием.

На намоточном станке СН-8.0-1100 была отработана технология изготов-

ления препрега с минимальной деформацией волокна [5], изготовлены и испыта-

ны образцы препрега. На основе полученного препрега изготовлены образцы од-

нонаправленного углепластика, углепластика со схемой армирования 0º/45º/-45º и

углепластика со схемой армирования 0º/90º, проведены их физико-механические

и теплофизические испытания как наиболее применяемые в конструкциях из

ПКМ в РКТ. Максимальными характеристиками по значению прочности 1336

МПа, модуля упругости при растяжении 520 ГПа, а также продольного коэффи-

циента теплопроводности 236,9 Вт/(м·К) обладал однонаправленный углепла-

Информационно-технологический вестник № 2(16) 2018

131

(PDF) On the development of space structures from high thermal conductivity polymer composite materials

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2012 99

В углепластике полимерная матрица обладает низкими теплопро-

водностью и термостойкостью. В основном она выполняет функции

перераспределения напряжений между волокнами углеродный карка-

са, который обеспечивает необходимые прочность и жесткость.

Главные преимущества углепластика — малая плотность, высокие

прочностные и жесткостные свойства, низкие значения КЛТР.

Проблема проектирования композитных конструкций осложнена

тем, что действительные физико-механические свойства ПКМ можно

определить лишь после изготовления конкретной детали. Кроме того,

коэффициенты разброса свойств ПКМ значительно выше, чем для

металлов и их сплавов, и при многоэтапной оптимизации параметров

конструкции этот фактор может отражаться на достоверности дан-

ных. В связи с этим для оценки свойств ПКМ целесообразно исполь-

зовать статистические и вероятностные методы, начиная с входного

контроля компонентов и заканчивая проектированием и испытанием

изделия [5, 6].

Цель работы заключается в создании алгоритма расчета тепло-

проводности ПКМ с армирующими волокнистыми наполнителями,

имеющими высокую теплопроводность.

Постановка и результаты вычислительных экспериментов.

Существует два подхода к определению теплопроводности ПКМ,

которые условно можно назвать экспериментальным и расчетным.

При экспериментальном подходе проводят тепловые испытания об-

разцов ПКМ, в результате которых регистрируют значения темпера-

тур и тепловых потоков [2]. Полученные данные в дальнейшем

служат для определения теплопроводности ПКМ с использованием

методов решения обратных задач. Экспериментальные методы поз-

воляют надежно определять теплопроводность слоистых ПКМ по-

перек оси волокон, однако для определения этого показателя в

направлении, совпадающем с осью волокон, или в плоскости арми-

рования методы практически не разработаны. Кроме того, методы

не позволяют использовать данные о теплопроводности материалов

с одной схемой армирования для расчета теплопроводности матери-

ала с другой схемой армирования, что существенно увеличивает

объем экспериментов.

Расчетные методы определения теплопроводности базируются на

данных о структуре ПКМ, свойствах его компонент и математиче-

ских моделях процессов переноса теплоты в элементарной ячейке

материала [7, 8]. Важным преимуществом таких методов определе-

ния теплопроводности является возможность исследовать влияние

свойств компонентов и характеристик структуры ПКМ на свойства

материала, прогнозировать свойства ПКМ на основе новых компо-

нентов, оптимизировать структуру ПКМ для конкретных условий

Производство, изготовление изделий из углепластика на заказ |СпецПласт Технологии

Компания «СпецПласт Технологии» занимается производством изделий из углепластика. Что это за материал и где он применяется?

 

Особенности углепластика и сферы его эксплуатации

Углепластик – композитное сырье, в основе производства которого лежит углеродное волокно. Материал схож со стеклопластиком по технологическим характеристикам, но, в случаях, когда требуется достичь высокого уровня гибкости и максимальной прочности при минимальном весе изделия, часто используется углепластик.

 

Существует три разновидности данного сырья:

  • Углеволокниты – составы, созданные на основе непрерывных жгутов или нитей;
  • Углепресволокниты – для производства применяются дискретные непрерывные волокна;
  • Углетекстолиты – армирующая основа представлена тканными лентами различных текстурных форм.

Материалу характерны высокие технологические качества, которые позволяют перерабатывать его в конечный продукт без использования сложных механизмов.

 

Области применения углепластика:

За счет прочности и легкости материал используется в различных отраслях жизнедеятельности. В их числе:

  • Строительство. Эксплуатируется в качестве армирующего сырья и эпоксидного связующего. Углепластик хорош для дорожного строительства, реконструкции крупных жилых и промышленных зданий. Помимо этого, данный материал может существенно сократить сроки выполнения работ;
  • Авиация. Заменяет алюминий в конструкции самолетов. Он в 5 раз легче упомянутого металла, однако характеристики прочности и гибкости выше. Углепластик не боится повышенного давления;
  • Автостроение. Корпуса многих современных авто практически полностью отлиты из этого материала. Малый вес карбона ценится на спортивных состязаниях, прочность – всеми любителями машин.

Основные достоинства и особенности

Про некоторые характеристики сказано выше, но стоит разобрать их подробнее.

  • Прочность и жесткость. Создается благодаря использованию армирования волокнами, коэффициент зависит от метода производства;
  • Низкая плотность. Сырье можно применять при судостроительстве – оно плавает на поверхности воды, как пенопласт;
  • Химическая инертность. При взаимодействии с опасными элементами углепластик не теряет своих свойств и не разрушается;
  • Электро- и теплопроводность способствуют использованию состава внутри электромеханических узлов.

Дополнительно к перечисленному углепластик имеет высокий коэффициент радиационной устойчивости. Его можно применять при создании защитных ворот и бункеров.

Обращайтесь, и наши менеджеры предоставят бесплатную консультацию по номеру телефона 8 (495) 177-89-23, 8 (985) 440-85-35 либо через email: [email protected]

Сколько это стоит?

Отправьте заявку на рассчет и получите Ваше персональное выгодное предложение.

Нажимая на кнопку «Получить расчет» Вы даете согласие на обработку своих персональных данных.

Используемые материалы и технологии ГК «Спецобъединение»

Металлический подносок

Изделия из стали являются самыми тяжелыми среди своих «собратьев». Несмотря на большой вес, обувь со стальными подносками считается наиболее вместительной и просторной, так как стальная пластина имеет малую толщину. Такая особенность позволяет использовать большое количество подкладочных материалов, что положительно сказывается на удобстве и комфорте ношения рабочей обуви. Небольшие размеры стальных подносков позволяют создавать эргономичные и не очень массивные модели обуви.

Металл имеет высокую теплопроводность, поэтому обувь с такими подносками не рекомендуют использовать при экстремально высоких или низких температурах. Способность стальных подносков намагничиваться ограничивает их применение в тех сферах, где присутствует высокое напряжение или огнеопасные материалы. Структура металла не позволяет использовать вентиляционные отверстия, так как они приводят к снижению потребительских свойств.

Максимальная нагрузка на подносок из стали – 200 Дж, при более сильном воздействии металлическая вставка может согнуться и травмировать пальцы. Металлический подносок вполне способен защитить ноги от падения груза в 70 кг в метровой высоты. Для защиты ног от острого края металлического подноска, предусмотрены специальные резиновые прокладки.

Композитный подносок с кевларовыми нитями

Внешне такой подносок напоминает пластмассу, производится он из углепластика. По сравнению с металлическими подносками, композит обладает гораздо меньшим весом. В результате, обувь с такими подносками гораздо легче и комфортнее в носке. В отличие от стальных изделий, композитные подноски абсолютно не подвержены коррозии. Вентиляционные отверстия в подноске способствуют удалению влаги из ботинка, поэтому ноги остаются сухими в течение всего рабочего дня.

При очень высоких нагрузках композитный подносок распадается на небольшие фрагменты, что спасает ноги от тяжелый увечий и травм. Такая особенность выгодно отличает углепластик от металла. При производстве таких изделий используется европейский стандарт защиты EN-345, при котором максимальная ударная нагрузка составляет 200 Дж. Для поддержания таких характеристик требуется достаточно большая толщина композитного материала, однако использование кевларовых нитей позволяет уменьшить толщину подноска.

Обувь с композитными подносками может использоваться в самых экстремальных температурных условиях, так как материал имеет очень низкую теплопроводность. Углепластик не намагничивается, поэтому может применяться в областях, где присутствует высокое напряжение. Большое удельное сопротивление обеспечивает безопасность эксплуатации без снижения показателей комфортности и удобства ношения специальной рабочей обуви.

Стальные (металлические) антипрокольные стельки

Металлическая стелька – это защитный элемент в рабочей обуви, обеспечивающий защиту стопы от прокола любым острым предметом усилием не менее 1200Н. Стальная стелька — это не просто лист обработанного металла, вырезанного по форме подошвы — она с уверенностью повторяет анатомические формы ноги и в этом смысле является ортопедической. Стальные антипрокольные стельки рассчитаны на человека со среднестатистическим весом в 70-80 кг, который наступает на вертикально выступающий гвоздь. Такая стелька обладает отличными характеристиками: — толщина – этот немаловажный аргумент, который позволяет производителю найти место под дополнительные подкладочные материалы; — недорогая цена и доступность материала.

Металлическая стелька — отличный материал для защиты ваших ступней от травм, проколов и порезов.

Денисов Олег Валерьевич — публикации

Тип публикации Авторы Заглавие Издание, год, номер, страницы
Статья в журнале Ван Юй МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Денисова Лилиана Валентиновна МГТУ
Моделирование системы терморегулирования наноспутника с помощью контурных тепловых труб в условиях орбитального полета Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования 2021 .- Т. 22 , № 1 .- С. 23 — 35
Статья в журнале Новиков Андрей Дмитриевич
МГТУ
Резник Сергей Васильевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Экспериментальное определение механических и теплофизических характеристик углепластика тонкостенной оболочки антенного рефлектора Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2020 .- № 3 .- С. 84 — 91
Материал конференции Yu W. МГТУ
Soe-Moe Z.
МГТУ
Denisov O. V. МГТУ
Denisova L. V. МГТУ
Research of thermal control system for nanosatellite with carbon fiber reinforced plastic body IOP Conference Series: Materials Science and Engineering

2020 .- Vol. 934 , Issue 1 .- Art.no 012056

Статья в журнале Ван Юй МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Денисова Лилиана Валентиновна МГТУ
Моделирование охлаждения процессора в наноспутнике с помощью контурных тепловых труб Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования 2019 .- Т. 20 , № 3 .- С. 211 — 219
Материал конференции Reznik S. V. МГТУ
Prosuntsov P. V. МГТУ
Bondaletov D.
Denisov O. V. МГТУ
Denisova L. V. МГТУ
Petrov N. M. МГТУ
Elaboration of Methods for Studying the Thermal Conductivity Coefficient of Anisotropic Composites Proceedings — 2019 21st International Conference «Complex Systems: Control and Modeling Problems», CSCMP 2019 2019 . — Vol. 2019 .- С. 592 — 595 .- Art.no 8976659
Статья в журнале
Резник Сергей Васильевич МГТУ
Просунцов Павел Викторович МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Петров Никита Михайлович МГТУ
Ли Вонхеонг МГТУ
Расчетно-экспериментальная методика определения теплопроводности композиционного материала корпуса наноспутника Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования 2017 . — Т. 18 , № 3 .- С. 345 — 352
Статья в журнале Просунцов Павел Викторович МГТУ
Тимошенко Валерий Павлович МГТУ
Шуляковский Андрей Валерьевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Математическое моделирование термовакуумных испытаний рефлектора космической антенны из композиционного материала Авиационная промышленность

2016 .- № 4 .- С.

10 — 16

Статья в журнале Резник Сергей Васильевич МГТУ
Просунцов Павел Викторович МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Петров Никита Михайлович МГТУ
Шуляковский Андрей Валерьевич МГТУ
Денисова Лилиана Валентиновна МГТУ
Расчетно-экспериментальное определение теплопроводности углепластика в плоскости армирования на основе бесконтактного измерения температуры Тепловые процессы в технике

2016 . - Т. 8 , № 12 .- С. 557 — 563

Статья в журнале Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Минаков Дмитрий Сергеевич МГТУ
Кирбай А. А.
Методические особенности тепловых испытаний тонкостенных пластин из углепластика Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана
Статья в журнале Резник Сергей Васильевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Чуднов Илья Владимирович МГТУ
Основные подходы к формированию программы термовакуумных испытаний прецизионных рефлекторов зеркальных космических антенн Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана
Статья в журнале Reznik S. V. МГТУ
Denisov O. V. МГТУ
Prosuntsov P. V. МГТУ
Timoshenko V. P. МГТУ
Shulyakovskii A. V. МГТУ
Thermal-vacuum tests of hollow composite rods intended for structures in space Polymer Science. Series D 2013 .- Vol. 6 , No 3 .- С. 242 — 245
Статья в журнале Резник Сергей Васильевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Нелюб Владимир Александрович МГТУ
Бородулин Алексей Сергеевич МГТУ
Буянов Иван Андреевич МГТУ
Чуднов Илья Владимирович МГТУ
Исследования теплопроводности углепластиков в широком диапазоне эксплуатационных температур с использованием элементов натурных конструкций Все материалы. Энциклопедический справочник.

2012 .- № 3 .- С. 2 — 6

Статья в журнале Резник Сергей Васильевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Тимошенко Валерий Павлович МГТУ
Особенности техники тепловых испытаний элементов натурных стержневых космических конструкций Сборка в машиностроении, приборостроении

2012 .- № 3 .- С. 28 — 31

Статья в журнале Резник Сергей Васильевич МГТУ
Денисов Олег Валерьевич МГТУ
Просунцов Павел Викторович МГТУ
Тимошенко В. П. Валерий Павлович МГТУ
Шуляковский Андрей Валерьевич МГТУ
Термовакуумные испытания полых композитных стержней для космических конструкций Все материалы. Энциклопедический справочник.

2012 .- № 7 .- С. 8 — 12

Методические особенности тепловых испытаний тонкостенных пластин из углепластика



Другие журналы

Методические особенности тепловых испытаний тонкостенных пластин из углепластика


# 07, июль 2015
DOI: 10. 7463/0715.0781946

авторы: Денисов О. В., Минаков Д. С., Кирбай А. А.


УДК 629.7.018.3:536.24

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

ОАО «НПО»Молния»

Полимерные композиционные материалы (КМ) нашли широкое применение в создании крупногабаритных космических конструкций, в частности, рефлекторов космических антенн. Такие конструкции должны иметь высокую удельную жесткость и прочность. При неравномерном нагреве таких конструкций существенную роль в формировании их температурных полей играет теплопроводность в плоскости армирования КМ. Литературные данные по теплопроводности в плоскости армирования КМ ограничены, а имеющиеся методы ее определения несовершенны. Как правило, в традиционных методах теплопроводность материалов определяется в направлении, перпендикулярном плоскости армирования на образцах в форме круглой или прямоугольной пластины. Из-за малой толщины рефлектора практическая ценность результатов таких испытаний невелика, а стандартные образцы не всегда представительны. Весьма перспективен метод контактного нагрева, который был апробирован в МГТУ им. Н.Э. Баумана на образцах в виде длинных полых стержней из углепластика и тросовых элементов космических конструкций. Настоящая статья посвящена экспериментальной отработке метода контактного нагрева на тонкостенных пластинах из углепластика.
Тепловые испытания предполагали создание в образце материала нестационарного температурного поля, градиент которого совпадает с направлением плоскости армирования. Для подавления свободной конвекции испытания проводились в вакуумной камере. Экспериментальные термограммы обрабатывались по модели одномерной теплопроводности для термически тонкого тела. Проведена оценка влияния неопределенностей параметров эксперимента (степени черноты поверхности образца, клея и датчиков температуры, погрешностей закрепления датчиков температуры) на результат определения теплопроводности образца. Получены новые данные по теплопроводности углепластика в плоскости армирования в интервале температур 295…375 К, которые могут быть использованы для проектных расчетов рефлекторов прецизионных космических антенн.
В перспективе целесообразно проводить испытания образцов тонкостенных пластин из углепластика в широком диапазоне температур, включая низкие температуры.

Список литературы

  1. Романов А.Г. Методы и средства контроля отражающих свойств материалов, применяемых в конструкциях рефлекторов антенн космических аппаратов: дис. … канд. техн. наук. Казань, 2014. 160 c .
  2. Лопатин А.В., Рутковская М.А. Обзор конструкций современных трансформируемых космических антенн (Часть 1) // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнёва. 2007. № 2. С. 51-57.
  3. Reznik S.V., Kalinin D.Y., Denisov O.V. Features of large deployable antennas thermal state in space // Proc. of the 30th ESA antenna workshop on antennas for Earth observation, science, telecommunication and navigation space missions. Nordwijk, The Netherlands, 2008. P. 335-338.
  4. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности   / под ред. А.В. Лыкова. М.: Энергия, 1973. 336 с.
  5. Температуропроводность и теплопроводность LFA / GHP / HFM / TCT // Официальный сайт фирмы NETZSCH . Режим доступа:  http://www.netzsch-thermal-analysis.com/ru/produkty-reshenija/temperaturoprovodnost-i-teploprovodnost.html  (дата обращения 20.04.2015).
  6. Tiwari A., Boussois K., Nait-Ali B., Smith D. S., Blanchart P. Anisotropic thermal conductivity of thin polycrystalline oxide samples // AIP Advances. 2013. Vol. 3, iss. 11. Art. no. 112129. DOI: 10.1063/1.4836555
  7. Matsevity Y.M., Lushpenko S.F. An Estimation of Thermal Properties by Means of Solving Internal Inverse Heat Transfer Problems // Preliminary Proc. of the 2nd Int. Conf. on Inverse Problems in Engineering: Theory and Practice, Le Croisic, France, 9–14 June 1996. Vol. 2. N.Y., 1996. P. 139–146.
  8. Blackwell B.F., Gill W., Dowding K.J., Easterling R.J. Uncertainty estimation in the determination of thermal conductivity of 304 stainless steel // Proc. of the Int. Mechanical Engineering Congress and Expositions (IMECE’00), Orlando, FL, U.S.A., 2000. Report no. SAND2000-2379C.
  9. Резник   С.В.   Денисов   О.В. Постановка и результаты тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2008. №   4. С. 81 -8 9.
  10. Резник С.В., Денисов О.В., Просунцов П.В., Тимошенко В.П., Шуляковский А.В. Термовакуумные испытания полых композитных стержней для космических конструкций // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 7. С. 8–12.
  11. Резник С.В., Тимошенко В.П., Просунцов П.В., Минаков Д.С. Моделирование и идентификация параметров теплопереноса в тросовых элементах космических конструкций. II . Экспериментальные исследования. Определение теплопроводности тросового элемента // Тепловые процессы в технике. 2014. Т. 6, № 8. С. 378-383.
  12. Резник С.В., Тимошенко В.П., Просунцов П.В., Минаков Д.С. Моделирование и идентификация параметров теплопереноса в тросовых элементах космических конструкций. I . Обоснование условий эксперимента // Тепловые процессы в технике. 2013. Т. 5, № 5. С. 235-239.
  13. Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Railyan V.S., Shulyakovsky A.V. Method and results of investigations of thermophysical properties of carbon–polymer composites with full-scale samples of beam space structures // Proc. of the 2nd Int. Symp. on Inverse Problems, Design and Optimization, 16–18 April 2007. Miami, Florida, USA, 2007. P. 657-660.
  14. Резник   С.В., Тимошенко В.П., Просунцов П.В., Миаль Л.В. Теоретические основы определения теплопроводности тонкостенных элементов конструкций из композиционных материалов // Инженерно-физический журнал. 2014. Т. 87, № 4. С. 838–844.
  15. Тимошенко В.П., Минаков Д.С. Методика изготовления тонких термопар типа медь – константан // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014. № 3. С. 2 — 5.
Тематические рубрики:

Математическое моделирование тепловых процессов — Исследования и испытания — Продукция и услуги — rus

Измеренные теплофизические, механические и прочие характеристики успешно применяются для моделирования температурных полей, возникающих в процессе отверждения изделий из угле- и стеклопластика, возникающих остаточных напряжений, процесса коробления изделия, моделирования процесса пропитки и т. д.

Моделирование позволяет сократить количество дорогостоящих натурных экспериментов и получить изделие с необходимыми характеристиками в более короткие сроки.

 

Расчеты температурных полей в процессе отверждения, остаточных напряжений и коробления

Процесс отверждения практически всех связующих, применяемых при производстве армированных стекло- и углеродными волокнами полимерных композиционных материалов, является экзотермическим. В то же время, теплопроводность таких материалов относительно мала. По этой причине возможно возникновение областей локального перегрева, особенно при изготовлении толстостенных изделий и изделий сложной формы. Это нежелательное явление, т.к. оно способствует образованию внутренних напряжений и остаточных деформаций после отверждения изделия.

Математическое моделирование, основанное на численном решении уравнения теплопроводности для изготавливаемого изделия и технологической оснастки методом конечных элементов, позволяет определить температуры локального перегрева в интересующих точках изделия и изменение температурных полей с течением времени.

Это позволяет избежать экспериментального измерения температурных полей для сложных изделий, ограничившись измерениями на пластине из того же композиционного материала, либо вообще не ставить такой эксперимент. Кроме того, можно оптимизировать режим отверждения под конкретную задачу таким образом, чтобы снизить нежелательный локальный перегрев.

С помощью численного моделирования можно предсказать и коробление изделия после его освобождения от технологической оснастки, а также после постотверждения. При этом могут быть учтены все основные причины возникновения искажений геометрии в процессе формования: термическое расширение и химическая усадка композита, влияние выкладки слоев ламината, термического расширения и материала технологической оснастки, режима отверждения, градиентов по температуре и содержанию связующего.

Моделирование процесса пропитки

Математическое моделирование процесса пропитки основано на численном решении уравнений динамики вязкой жидкости (Навье – Стокса, Дарси) для потока связующего.

Моделирование процесса пропитки позволяет:

  • избежать дорогостоящих полноразмерных экспериментов;
  • предотвратить образование различных дефектов пропитки: образования утолщений, сухих зон и неполной пропитки вследствие застывания смолы, пористости, и других внутренних дефектов в структуре пластика;
  • оптимизировать расположение и количество точек подачи и выхода связующего, подобрать оптимальную скорость подачи связующего для минимизации образования дефектов;
  • визуализировать процесс течения связующего по сухой преформе;
  • изучить влияние технологических параметров на модель пропитки детали.

Прочностные расчеты для изделий из углепластика

При проектировании изделий из композиционных материалов для достижения требуемых характеристик часто возникает необходимость применения комбинаций из нескольких материалов, использования сложных схем выкладки большого количества слоев, и т.д. Численное моделирование позволяет определить необходимое количество слоев, оптимизировать сам процесс и схему выкладки, предсказать механические характеристики готового изделия.

При моделировании могут применяться различные критерии разрушения композиционного материала (как простейшие критерии максимальных напряжений/деформаций, так и более специфичные для композитов критерии Цая-Хилла (Tsai-Hill), Цая-Ву (Tsai-Wu), Хашина (Hashin), критерий Langley Research Center (LaRC), и др.). Можно предсказать механизм разрушения при заданном воздействии (расслоение, разрыв слоя, и т.д.) и его развитие.

Электропроводящие и теплопроводящие полимерные композиты, армированные тканью из углеродного волокна, на основе наноуглеродов и полимеризуемого на месте циклического олигоэфира ., Сеул, Корея), которые, как известно, полезны для улучшения электрической и теплопроводности композитов, были приготовлены в качестве проводящих наполнителей для изготовления проводящих композитов из углепластика; Ткани CF (Hankuk Carbon Co., Ltd., Милянг, Кённам, Корея). CF, составляющие ткани, представляли собой волокна Т-700 с плотностью 1,82 г / см

3 . CBT (CBT 160, Cyclics® Co. , Schenectady, NY, USA) представляет собой низкомолекулярный олигомер в форме кольца, который существует в твердом состоянии при комнатной температуре. Термопластичная смола имеет разомкнутое кольцо и плавится при ≥150 ° C; известно, что расплавленные олигомеры обладают низкой вязкостью 0,02 Па · с. Молекулы CBT полимеризуются содержащимися катализаторами в структуру, аналогичную структуре поли (бутилентерефталата), когда они подвергаются воздействию ≥170 ° C 8 .

Производство композитов

Повышенное диспергирование наноуглеродных наполнителей может быть вызвано вязкостью низкоплавких молекул CBT 0,02 Па · с во время начального термического процесса 8,11,12 . Чтобы углеродные наполнители оставались высокодисперсными, композиты были изготовлены с использованием порошкового смешивания, как показано на рис. 1а. Порошок CBT и наноуглеродные наполнители смешивали до заданного содержания с помощью миксера Thinky (ARE 310, Thinky Co., Tokyo, Japan) в течение 1 мин при 2000 об / мин и еще 1 мин при 2200 об / мин. Приготовленную смесь достаточно распыляли на металлическую форму; затем на него ламинировали ткань CF. Процесс повторяли для получения заданной толщины образца, как показано на рис. 1b. Трехкомпонентные композиты были изготовлены путем сжатия слоев ламинации с помощью нагревательного пресса (D3P-20J, Dae Heung Science, Инчхон, Корея) с металлической формой, нагретой до 250 ° C при 15 МПа в течение 2 мин, как показано на рис. 1c. Состав изготовленных композитов из углепластика представлен в таблице 1.Кроме того, мы подготовили различные контрольные образцы, включая образец полимеризованного CBT (pCBT), образец CFRP без наноуглеродных наполнителей (см. Рис. S1) и композиты pCBT, наполненные наноуглеродными наполнителями (см. Рис. S2), с использованием ранее предложенного изготовления. метод 11,12,13,15,17,18 .

Таблица 1 Состав изготовленных композитов из углепластика.

Характеристика внутренней структуры

Сначала мы выполнили типичный анализ внутренней структуры, такой как OM и FE-SEM. Это инструменты для получения двухмерных изображений, которые позволяют оценить поры на поверхности, дисперсию наполнителя и пропитку композитов смолой; однако эти инструменты не могут охватить всю внутреннюю структуру материалов, потому что они ограничиваются анализом локально отображаемых областей. Поры по всей площади образцов были проанализированы с помощью системы неразрушающего анализа, называемой активной термографией. Кроме того, точная структурная информация о трехмерной (3D) дисперсии нанонаполнителя, пропитке CF-ткани, CF-ориентации и микроразмерных порах / дефектах в композитах была получена с помощью микро-КТ, который представляет собой метод неразрушающего трехмерного анализа.

Изготовленные образцы композитов полировали на полировальной машине (TegraPol-15, Struers, Ballerup, Дания). Поверхность излома каждого композита наблюдалась с помощью OM (BX51, Olympus Co., Токио, Япония). Кроме того, полированная поверхность излома наблюдалась при 15 кВ с помощью FE-SEM (Nova NanoSEM 450, FEI Co. , Хиллсборо, Орегон, США) после покрытия платиной в вакууме в течение 200 секунд с использованием машины для нанесения напыления (Ion Sputter E-1030, Hitachi High Technologies Co., Токио, Япония).Измерение активной термографии было основано на инфракрасной камере (X6540sc, FLIR systems, Wilsonville, OR, USA), которая использовалась для наблюдения внутренних дефектов (> 6 мкм) 19 . Подготовленные образцы (размером 50 мм × 50 мм) нагревали с использованием излучения, испускаемого галогенной лампой, и метод синхронной термографии использовался для преобразования распределения температуры в изображение. Micro-CT (Skyscan 1172, Bruker Co., Биллерика, Массачусетс, США) был использован для измерения и идентификации трехмерной морфологии, дисперсии и сетевой структуры наноуглеродных наполнителей в композитах pCBT, наполненных CF и наноуглеродными наполнителями.Подробные процедуры измерения микро-КТ анализа поясняются на рис. S6. FT-IR (Nicolet 6700, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) использовали для анализа функциональных групп необработанной матрицы CBT и композитов pCBT, наполненных CF и / или наноуглеродными наполнителями. ИК-Фурье спектры измеряли в диапазоне 500–4000 см –1 при разрешении 16 см –1 . Измерения WAXD проводили с использованием рентгеновского дифрактометра (M18XHF-SRA, MAC Science Co., Йокогама, Япония) с использованием рентгеновских лучей CuKα с фильтром Ni (λ = 0.1542 нм) для исследования кристаллической структуры матрицы CBT и композитов pCBT. Интенсивность дифракции регистрировали путем непрерывного сканирования со скоростью 0,02 град / с в диапазоне 10 <2θ <40 градусов (θ = угол Брэгга).

Измерения физических свойств

Поверхностное сопротивление композитов pCBT было измерено с использованием четырехзондового метода в соответствии с ASTM D257 (FPP-RS8, DASOL ENG, Cheongju, Korea) и измерителя сверхвысокого сопротивления (SM-8220, HIOKI EE). Co., Нагано, Япония) при приложенном напряжении 10 В. Теплопроводность композитов измерялась в условиях температуры и давления окружающей среды с помощью прибора TPS 2500 S (Hot Disk AB, Гетеборг, Швеция), который основан на горячем диске. метод в соответствии со стандартом ISO 22007-2. Датчик горячего диска изготовлен из двойной спирали из тонкой никелевой проволоки и работает как непрерывный плоский источник тепла. Датчик горячего диска подает постоянное количество электроэнергии (P), что вызывает повышение температуры (ΔT), которое можно измерить в соответствии с изменениями сопротивления датчика.По значениям P и ΔT теплопроводность (λ) может быть рассчитана путем решения уравнения Фурье для теплопроводности. Механические свойства композитных образцов измеряли в соответствии со стандартом ASTM D3039 с использованием универсальной испытательной машины (Instron 5982, Instron Co., Норвуд, Мэриленд, США) при скорости ползуна 5 мм / мин при комнатной температуре.

Оптимизация прочности на разрыв

Как показано на вставке на рис. 5d, толщину образца можно уменьшить путем включения нанонаполнителей в поверхность, но не во внутреннюю часть.Оптимизированный образец был изготовлен с использованием того же процесса, за исключением разницы между слоем, содержащим нанонаполнители, и слоем без включения.

Заявка

Как правило, композиты из углепластика, наносимые на внешние панели автомобилей, могут быть окрашены методом электростатической порошковой окраски. Изготовленные образцы композита из углепластика размером 250 мм × 250 мм помещались на конвейерную линию, и через них пропускалось отрицательное постоянное напряжение (DC). Затем порошок распыляли через распылительное устройство с положительным постоянным напряжением.После того, как распыленный порошок прилип к образцу под действием электростатической силы, порошок расплавился и был нанесен на поверхность образца путем нагревания при 200 ° C в течение 10 мин. Свойство рассеивания тепла композитов pCBT оценивали с помощью инфракрасной камеры (X6540sc, FLIR systems, Wilsonville, OR, USA) после нагревания образцов в течение 4 секунд с использованием излучения, испускаемого галогенной лампой.

Повышение вертикальной теплопроводности эпоксидных композитов, армированных углеродным волокном, путем послойного контакта неорганических кристаллов

Материалы (Базель). 2019 Октябрь; 12 (19): 3092.

Ынби Ли

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Чи Хён Чо

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Сэ Хун Хван

1 Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Мин-Гын Ким

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Чон Ву Хан

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Ханмин Ли

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Джун Хюп Ли

Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонъин, Кёнги 17058, Корея

1 Кафедра химического машиностроения, Мён gji University, Yongin, Gyeonggi 17058, Korea

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Поступило 4 сентября 2019 г . ; Принята в печать 20 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), представляет собой легкий и жесткий композит, применяемый в различных областях, например, в авиации и автомобилестроении. Однако из-за своей низкой теплопроводности он недостаточно рассеивает тепло и, таким образом, накапливает тепловую нагрузку.Здесь мы сообщили о простой и эффективной стратегии улучшения теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика с помощью послойного покрытия из неорганических кристаллов. Они могут обеспечить эффективные пути теплопередачи за счет послойного контакта внутри получаемого композитного материала. Композиты из углепластика с высокой теплопроводностью были приготовлены с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей, состоящих из алюминия, магния и меди на препреге, посредством процесса послойного покрытия. Вертикальная теплопроводность чистого углепластика была увеличена до 87% при использовании магниевого наполнителя с очень низким содержанием 0,01 мас.%. Было также подтверждено, что чем выше было увеличение теплопроводности, тем лучше были механические свойства. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что послойное включение неорганических кристаллов может привести к улучшенной теплопроводности по всей толщине и механическим свойствам композитов, которые могут найти применение в различных областях промышленности.

Ключевые слова: полимер, армированный углеродным волокном, неорганические кристаллы, послойное покрытие, механическая прочность, теплопроводность

1. Введение

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие непрерывные композитные материалы из углеродного волокна, которые показать высокую прочность [1,2,3]. Помимо превосходных механических характеристик [4,5], они обладают потенциалом замены тяжелых металлов из-за их высокой коррозионной стойкости [6]. Следовательно, такие материалы применялись в широком диапазоне областей, от гражданской / военной авиации, космической промышленности до автомобильной промышленности, а также в спорте, где легкие материалы необходимы [7,8,9,10,11, 12].Однако термопластичные смолы с низкой теплопроводностью ограничивают коммерческое использование углепластика в качестве полимерной матрицы для композитов [13,14]. Композиты с низкой теплопроводностью не рассеивают тепло быстро, а накапливают тепло, что вызывает ухудшение механических свойств из-за отслаивания между углеродным волокном и полимерной матрицей композита. Теплопроводность зависит от направления углеродного волокна. В непрерывном композитном материале из углеродного волокна, поскольку углеродные волокна выровнены в направлении в плоскости, вертикальная теплопроводность намного ниже, чем в направлении в плоскости.Следовательно, очень важно улучшить теплопроводность композита по всей толщине без ухудшения его механических характеристик.

Для улучшения теплопроводности композита необходимо улучшить внутреннюю теплопередачу полимерной матрицы, которая имеет более низкую теплопроводность и легче модифицируется, чем углеродное волокно. Одним из методов улучшения теплопроводности полимерной матрицы является использование наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как графит и нитрид бора [15,16,17,18,19,20], при этом такие наполнители механически диспергированы в полимерной матрице. с помощью смесителя или трехвалковой мельницы [21,22,23,24,25,26,27,28,29].Однако в случае углепластика этот метод трудно применить, поскольку углеродное волокно пропитано полимерной матрицей. В случае углепластика наполнители могут быть нанесены на ткани из углеродного волокна с использованием ванны или процесса нанесения покрытия прямым распылением перед производством композита [30,31]. Наполнители в композите CFRP улучшают теплопроводность, обеспечивая короткие пути теплопередачи. Однако обеспечение оптимального содержания наполнителя важно для эффективного обеспечения путей теплопередачи с использованием наполнителей.Если содержание наполнителя слишком низкое, могут возникнуть трудности с формированием путей теплопередачи. Напротив, если содержание слишком велико, наполнитель может агрегироваться, что ухудшает взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей, что приводит к ухудшению теплопроводности и механических свойств. Также важно проанализировать, как интерфейс теплопередачи из-за взаимодействия с полимерной матрицей зависит от размера и структуры наполнителя. Сильное взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей может снизить межфазное сопротивление между ними, тем самым эффективно передавая тепло.

В этой работе мы представили простую и эффективную стратегию изготовления композитов из углепластика с высокой теплопроводностью, которые одновременно обеспечивают превосходную вертикальную теплопроводность и механическую прочность за счет послойного включения неорганических кристаллов. Три различных типа неорганических кристаллических наполнителей, включающих алюминий, магний и медь, были использованы для исследования зависимости увеличения вертикальной теплопроводности от структуры неорганических наполнителей.Углепластик, содержащий неорганические кристаллические наполнители, был получен с помощью простого процесса нанесения покрытия слой за слоем. Неорганические кристаллические наполнители были нанесены на поверхность множества препрегов послойным нанесением напылением, чтобы привести к послойному контакту наполнителей внутри композитов. Таким образом, наполнители с высокой теплопроводностью обеспечивали путь для передачи тепла внутри углепластика с низкой теплопроводностью через послойный контакт, так что композит мог эффективно рассеивать тепло, не накапливая его.Мы проанализировали микроскопическую поверхность, размер и структуру неорганических кристаллических наполнителей с помощью изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и измерили вертикальную теплопроводность и прочность на изгиб углепластика, покрытого неорганическими наполнителями. Теплопроводность и механические свойства углепластика, покрытого тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, сравнивались с характеристиками чистого углепластика, и обсуждались вариации поведения теплопроводности и механических свойств углепластика в зависимости от размера и структуры наполнителей.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Препреги

CFRP (USN 300BP), состоящие из непрерывных углеродных волокон, были получены от SK Chemicals (Сеул, Корея). Препрег состоял из смолы и углеродного волокна массой 33 мас.% И 67 мас.%, Соответственно, и был однонаправленным. Смола в препреге включала диглицидиловый эфир эпоксидной смолы бисфенола А, смолу на основе сложного цианатного эфира и сформулированный отвердитель. Углеродное волокно Pyrofil TR50S диаметром 6–8 мкм и плотностью 1.82 г см −1 . Поверхностная масса волокна составляла 300 г / м -3 , а толщина одного препрега составляла 0,288 мм. Неорганические кристаллические наполнители, используемые для улучшения вертикальной теплопроводности углепластика, представляли собой алюминий, магний и медь. Порошки алюминия и магния х.ч. были получены от DUKSAN PHARMACEUTICAL (Ansan, Корея) и DAEJUNG (Siheung, Корея) соответственно. Кроме того, чистый медный порошок был получен от Junsei Chemical (Токио, Япония). Дисперсионный растворитель, используемый для распыления неорганических кристаллических наполнителей путем послойного покрытия, представлял собой этанол особой чистоты, приобретенный в SAMCHUN (Сеул, Корея).

2.2. Послойное покрытие неорганических кристаллов

Неорганические кристаллические наполнители наносили на препрег с помощью воздушного распылителя. Пистолет-распылитель (K-3, BLUEBIRD, Сеул, Корея), используемый для нанесения покрытия на наполнители, был подключен к воздушному компрессору (KAC-25, KEYANG, Сеул, Корея). Неорганические кристаллические наполнители диспергировали в этаноле перед нанесением покрытия из пистолета-распылителя. Концентрация неорганических кристаллических наполнителей, диспергированных в этаноле, составляла 0,1–4 г / 100 мл. Раствор диспергировали в течение 10 мин с помощью цифрового ультразвукового устройства (digital sonifier 250, Branson, St.Луис, Миссури, США) для гомогенизации перед нанесением покрытия. Раствор, диспергированный с помощью цифрового ультразвукового устройства, был непосредственно нанесен распылением на препреги размером 40 мм × 40 мм без какой-либо химической обработки. Препреги, покрытые раствором дисперсии, сушили при 30 ° C в течение 30 мин для испарения этанола. Массовая доля неорганических кристаллических наполнителей в композитах рассчитывалась путем взвешивания препрегов до и после нанесения покрытия на кристаллический наполнитель.

2.3. Приготовление композитов из углепластика

Форма и поршень из стали использовались для изготовления композитов из углепластика одинаковой толщины.Размеры формы и поршня составляли 40 мм × 40 мм × 6 мм и 39 мм × 39 мм × 5 мм, соответственно, а полученные композиты из углепластика имели размеры 40 мм × 40 мм × 1 мм. Мы уложили полиимидные (PI) пленки сверху и снизу препрегов, чтобы препреги не прилипали к форме и поршню после того, как они были изготовлены при высоких температурах и давлениях. В качестве первого шага на пластину из стали уложили пленку ПИ, а форму поместили на пленку ПИ. Затем четыре отрезанных по размеру препрега укладывали стопкой в ​​одном направлении.На втором этапе поршень помещали на пленку PI поверх сложенных друг на друга препрегов и прижимали препреги к высоте формы. На заключительном этапе композиты из углепластика были приготовлены путем прессования препрегов при 200 ° C и давлении 5 бар в течение 2 часов с использованием горячего пресса (M, CARVER, Wabash, IN, USA). Композиты из углепластика, покрытые неорганическими кристаллическими наполнителями, были приготовлены таким же образом, только верхний препрег был приготовлен без какого-либо наполнителя.

2.4. Характеристика

Структуру частиц неорганических кристаллических наполнителей определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SU-70, HITACHI, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.Неорганические кристаллические наполнители были покрыты платиной и исследованы с помощью SEM. Кроме того, неорганический кристаллический наполнитель, нанесенный на поверхность препрега, оценивали на его агрегационные свойства с помощью оптической микроскопии (OM, BX51, Olympus, Tokyo, Japan). Вертикальная теплопроводность композитов из углепластика измерялась при 25 ° C с использованием термометров (UT321, UNI-T, Дунгуань, Китай), а в качестве источника тепла использовались горячие пластины (MSH-20D, DAIHAN Scientific, Вонджу, Корея). Термопары (k-типа, Дунгуань, Китай) использовались для измерения изменения температуры поверхности композитов из углепластика.Образец (40 мм × 40 мм × 1 мм) помещали на горячую плиту при температуре 150 ° C, и изменение температуры верхней части образца регистрировали с помощью программного обеспечения UT320 (v1.0, UNI-T, Dongguan , Китай). Теплоизоляция использовалась для изоляции сторон образца для предотвращения потери тепла. Вертикальная теплопроводность была рассчитана с использованием закона теплопроводности Фурье с использованием уравнения Q = −kA dT / dL, где Q — тепловой поток горячей пластины, 11,408 Вт · м −1 , k — теплопроводность в вертикальном направлении. направление, а A — площадь образца.Здесь dT относится к разности температур образца в вертикальном направлении, полученной с использованием T 1 = 150 ° C и T 2 (получено экспериментально), а dL относится к толщине образца, измеренной с помощью нониуса. каверномер. Размер образца для испытания на прочность на изгиб составлял 40 мм × 4 мм × 1 мм. Прочность на изгиб измеряли с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D790–03 [32] на универсальной испытательной машине (UTM, LD 5K, LLOYD, Bognor Regis, UK).

3.Результаты

схематически показывает приготовление композитов из углепластика с высокой теплопроводностью с использованием послойного включения трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Эпоксидно-полимерная матрица композитов из углепластика задерживает теплопередачу из-за ее низкой теплопроводности. Таким образом, послойный контакт с использованием неорганических кристаллических наполнителей с высокой теплопроводностью облегчил пути теплопередачи к эпоксидной смоле, которые составляли зону задержки теплопередачи. Три типа неорганических кристаллических наполнителей взаимодействуют с полимерной матрицей с различными поверхностями теплообмена в зависимости от размера и структуры частиц [33,34,35].

Принципиальная схема получения композитов из высокотеплопроводного армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с неорганическими кристаллическими наполнителями с использованием послойного покрытия.

3.1. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-изображения трех типов неорганических кристаллических наполнителей показаны на рис. Наполнители имели разные размеры и структуру. Алюминий и магний показали неоднородную трехмерную сферическую структуру. В отличие от этих двух наполнителей медь имела плоскую пластинчатую двумерную структуру.Частицы алюминия имели средний диаметр 70 мкм, что было наименьшим среди наполнителей, рассмотренных в данной работе. Средний диаметр самого крупного наполнителя, частицы магния, составлял 200 мкм. Средний диаметр частиц меди 90 мкм.

СЭМ-изображения трех неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминия; ( b ) магний; ( c ) медь.

3.2. Оптическая микроскопия (ОМ) Анализ

изображений ОМ были получены для определения агрегационного поведения неорганического кристаллического наполнителя в зависимости от его содержания.представлены оптические и фотографические изображения чистого углепластика и углепластика с алюминиевым наполнителем. По сравнению с чистым препрегом из углепластика препрег с алюминиевым покрытием с высоким содержанием 0,4 мас.% Алюминия показал большую агрегацию наполнителей в отличие от препрега с покрытием с низким содержанием 0,01 мас.%, Как показано на а. Кроме того, агрегация наполнителя, которая происходила по мере увеличения содержания, ухудшала взаимодействие с полимерной матрицей и вызывала межслойный воздушный зазор в композите, что подтверждается в b, где показан вертикальный вид композитов из углепластика.Этот воздушный зазор препятствовал вертикальному тепловому потоку через канал теплопередачи, образованный наполнителем, и снижал скорость увеличения теплопроводности.

( a ) Изображения препрегов из углепластика: чистого препрега и препрегов, покрытых алюминием, с помощью оптической микроскопии; ( b ) Вертикальный вид композитов из углепластика с алюминиевым покрытием.

3.3. Анализ вертикальной теплопроводности

показывает изменение теплопроводности по толщине k (Вт · м -1 K -1 ) в зависимости от содержания трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Здесь чистый углепластик относится к композиту углепластика той же спецификации, что и образец без каких-либо наполнителей. Измеренная вертикальная теплопроводность чистого углепластика составила 0,912 Вт · м -1 K -1 . Для композитов из углепластика, покрытых неорганическими кристаллическими наполнителями, теплопроводность измеряли, когда содержание наполнителя составляло 0,01, 0,1, 0,2, 0,4 мас.% По сравнению с композитами из углепластика. Включение алюминиевого наполнителя увеличивало вертикальную теплопроводность с увеличением содержания и показало самую высокую теплопроводность, равную 1.462 Вт · м -1 K -1 при 0,1 мас.%, Что продемонстрировало улучшение на 60% по сравнению с чистым углепластиком. При превышении 0,1 мас.%, Что привело к наивысшей теплопроводности, повышение теплопроводности уменьшилось, но теплопроводность все еще была выше, чем у чистого углепластика. Магниевый наполнитель показал самую высокую теплопроводность 1,710 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 87% при низком содержании 0,01 мас. %. При содержании 0,1 мас.% Магния теплопроводность была такой же, как у алюминия с наибольшей теплопроводностью, кроме того, теплопроводность уменьшалась.Медный наполнитель показал вертикальную теплопроводность 1,650 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 81% при содержании 0,01 мас.%. При его содержании 0,1 мас.% Теплопроводность увеличилась на 1,634 Вт · м −1 K −1 с улучшением на 79%. При 0,2 мас.% Или более увеличение теплопроводности уменьшалось.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, по отношению к массовой доле наполнителя: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает увеличение теплопроводности по всей толщине, полученное с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей и их содержания. Среди них углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал улучшение теплопроводности на 87% при 1,710 Вт · м -1 K -1 и самое высокое улучшение теплопроводности. Кроме того, углепластики, покрытые 0,01 мас.% И 0,1 мас.% Меди, демонстрируют высокое повышение теплопроводности, которое было ниже, чем у углепластиков с покрытием 0.01 мас.% Магния.

Повышение теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

3.4. Анализ механических свойств

показывает прочность на изгиб (МПа) для оценки механических свойств композитов из углепластика. Чистый углепластик показал прочность на изгиб 2861 МПа в испытании на трехточечный изгиб.Алюминиевый наполнитель показал прочность на изгиб 2731 МПа, сравнимую с прочностью чистого углепластика, при содержании 0,01 мас.%, А прочность на изгиб снижалась при содержании 0,1 мас.% Или выше. Прочность на изгиб углепластика, покрытого 0,01 мас.% Магния, который продемонстрировал наибольшее повышение теплопроводности, составляла 2726 МПа. Он был почти эквивалентен чистому углепластику. Более того, магниевый наполнитель проявлял ту же тенденцию, что и алюминий, к снижению прочности на изгиб при содержании 0,1 мас.% Или выше.Покрытые медью углепластики не показали критического ухудшения механических свойств до содержания 0,2 мас.%, Но показали ухудшение механических свойств при содержании 0,4 мас.%.

Прочность на изгиб композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает изменение вертикальной теплопроводности в зависимости от прочности на изгиб. В композитах из углепластика, изготовленных путем послойного покрытия из неорганических кристаллических наполнителей, теплопроводность и прочность на изгиб имеют тенденцию к одновременному увеличению.Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал самую высокую теплопроводность, а также высокую прочность на изгиб.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, в зависимости от прочности на изгиб. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

4. Обсуждение

Поведение вертикальной теплопроводности композитов из углепластика с послойным включением неорганических кристаллов можно рационализировать на основе размера и структуры наполнителей.Наполнители из алюминия и магния имеют аналогичную структуру с неоднородной сферической формой, но частицы магния имеют больший размер. Когда вертикальная теплопроводность композитов из углепластика, покрытых двумя видами наполнителей схожей структуры, но разных размеров, сравнивалась для каждой массовой доли, было обнаружено, что магниевый наполнитель увеличивает теплопроводность в большей степени или аналогично алюминию, как показано на рис. В то время как включение алюминиевого наполнителя увеличило теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 при содержании 0,1 мас.% Включение магниевого наполнителя в углепластик позволило достичь максимального увеличения теплопроводности при низком содержании 0,01 мас.%, Что представляет собой 10-кратное улучшение по сравнению с алюминий. Это могло быть связано с размером частиц наполнителя. Покрытые алюминием углепластики были заделаны мелкими частицами наполнителя, которые могли обеспечить больше путей теплопередачи, чем крупный магниевый наполнитель при том же содержании, когда они гомогенно смешаны с полимерной матрицей.Однако, поскольку мы использовали процесс нанесения покрытия распылением слой за слоем вместо процесса смешивания наполнителя, большой размер магния был более предпочтительным для обеспечения вертикального пути теплопередачи при низком содержании наполнителя. Таким образом, магниевые и медные наполнители увеличили теплопроводность по толщине до 1,710 Вт · м −1 K −1 и 1,650 Вт · м −1 K −1 соответственно при 0,01 мас.%, Что составило 10 раз меньше, чем 0,1 мас.% алюминия, что увеличивает теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 .

Кроме того, подтверждена агрегация неорганического кристаллического наполнителя при высоком содержании: это может привести к ухудшению взаимодействия между наполнителем и матрицей и ухудшить вертикальную теплопроводность и механические свойства композитов. Когда сравнивали прочность на изгиб, как показано на фиг.3, композиты с алюминиевым покрытием давали лучшие или сопоставимые результаты с точки зрения тех, которые наблюдались для композитов с магниевым покрытием.Ухудшение механических свойств из-за агломерации наполнителя было вызвано разрушением, поскольку сила была сосредоточена на агрегированной части наполнителя. Следовательно, когда размер агрегации был небольшим, механические свойства были лучше [36]. Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, который достиг наивысшей теплопроводности, показал механические свойства, сопоставимые с чистым углепластиком, из-за низкой агрегации при низком содержании. Таким образом, эффективное увеличение теплопроводности при очень низком содержании, например, магния и медных наполнителей, является очень полезным.

Медный наполнитель представляет собой неорганическую кристаллическую частицу с пластинчатой ​​структурой. Он показал более высокое повышение теплопроводности и прочность на изгиб по сравнению с другими наполнителями при содержании 0,1 мас.% Или более. Это связано с тем, что медный наполнитель имеет меньшую площадь поверхности, чем алюминий или магний, и менее склонен к агломерации, и даже если агломерация происходит, агломерированный размер меньше, чем у магния. Однако с точки зрения свойств теплопроводности и стоимости наиболее важным фактором является улучшение вертикальной теплопроводности за счет низкой массовой доли неорганического кристаллического наполнителя.Таким образом, магниевый наполнитель, показавший наивысшее повышение теплопроводности и высокие механические свойства при низком содержании 0,01 мас.%, Считался наиболее подходящим наполнителем для улучшения вертикальной теплопроводности композита углепластика с использованием послойного покрытия. процесс. представлена ​​корреляция между повышенной вертикальной теплопроводностью и механическими свойствами. Этот результат показал, что прочность на изгиб также увеличивалась с увеличением теплопроводности.Экспериментальные данные также подтвердили, что низкое содержание наполнителя с меньшей степенью агрегации является важным фактором для поддержания механической прочности чистого углепластика. Наконец, углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магния, обозначенный красными квадратами, показал самое высокое улучшение вертикальной теплопроводности при сохранении механической прочности по сравнению с характеристиками других наполнителей.

5. Выводы

В этой работе мы изготовили теплопроводящие композиты из углепластика с превосходной вертикальной теплопроводностью и механической прочностью, используя послойное покрытие из неорганических кристаллических наполнителей.Алюминий, магний и медь — частицы разных размеров и структур — использовались в качестве неорганических кристаллических наполнителей. Эти наполнители улучшили вертикальную теплопроводность чистого углепластика до 87%. В частности, магниевый наполнитель привел к наибольшему увеличению теплопроводности по всей толщине при очень низком содержании 0,01 мас.%, А также привел к превосходным механическим свойствам, сопоставимым со свойствами чистого углепластика. Он мог эффективно обеспечивать вертикальные пути теплопередачи, поскольку диаметр частиц наполнителя был больше, чем у алюминиевых и медных наполнителей.Кроме того, поскольку он имеет сферическую форму, вертикальная теплопроводность может быть улучшена в большей степени, даже при меньшем уровне, чем у пластинчатого медного наполнителя. На основе этих результатов было подтверждено, что форма и размер неорганического кристаллического наполнителя являются важными факторами, которые следует учитывать при попытках улучшить вертикальную теплопроводность при сохранении механических свойств композита углепластика за счет послойного включения неорганических кристаллов. . Эта работа также послужила основой для расширения области применения углепластика, предложив эффективный путь, который одновременно обеспечивает достижение их механических свойств и вертикальной теплопроводности за счет использования очень малых количеств неорганических кристаллических наполнителей.

Вклад авторов

E.L., H.L. и J.H.L. концептуализировал явление. М.-Г.К. и J.W.H. разработал проект. E.L., C.H.C. и S.H.H. провели эксперименты. Все авторы написали рукопись и проанализировали данные. Х.Л. и Дж.Х.Л. курировал весь проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Международной программой совместных исследований и разработок, финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея). Эта работа также была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No.NRF-2018R1A5A1024127).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирующие организации не играли никакой роли в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи и в решении опубликовать результаты.

Ссылки

1. Barros J.A.O., Fortes A.S. Усиление бетонных балок на изгиб с помощью ламината углепластика, вклеенного в прорези. Джем. Concr. Compos. 2005. 27: 471–480. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.07.004. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Янагимото Дж., Икеучи К. Процесс формирования листа из армированного углеродным волокном пластика для легких деталей. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2012; 61: 247–250. DOI: 10.1016 / j.cirp.2012.03.129. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Бергер Д., Брабандт Д., Бакир К., Хорнунг Т., Ланца Г., Сумма Дж., Шварц М., Херрманн Х. Г., Поль М., Стоммель М. Влияние дефектов при серийном производстве легких компонентов гибридного углепластика — Выявление и оценка критических характеристик качества.Измерение. 2017; 95: 389–394. DOI: 10.1016 / j.measurement.2016.10.003. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Джессен Н.К., Норгаард-Нильсен Х.У., Шролл Дж. Легкие конструкции из углепластика для очень больших телескопов. Compos. Struc. 2008. 82: 310–316. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2007.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ли К.К. Структура, электрохимические и противоизносно-коррозионные свойства никель-фосфорного осаждения на композитах из углепластика. Матер. Chem. Phys. 2009. 114: 125–133. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2008.08.088. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чжан Ю.Л., Ян З.В., Чжан Дж.Й., Тао С.Дж. Характеристики низкоскоростного ударного повреждения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), с помощью инфракрасной термографии. Инфракрасный физ. Technol. 2016; 76: 91–102. DOI: 10.1016 / j.infrared.2016.09.014. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Дер А., Калуза А., Курле Д., Херрманн К., Кара С., Варлей Р. Инженерия жизненного цикла углеродных волокон для легких конструкций. Процедуры CIRP. 2018; 69: 43–48. DOI: 10.1016 / j.procir.2017.11.007.[CrossRef] [Google Scholar] 8. Счелси Л., Боннер М., Ходзич А., Сутис К., Скайф Р., Риджуэй К. Потенциальная экономия выбросов легких композитных компонентов самолета, оцененная посредством оценки жизненного цикла. Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 209–217. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.20. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Hufenbach W., Dobrzanski L.A., Gude M., Konieczny J., Czulak A.J. Оптимизация заклепочных соединений композитного материала углепластика и алюминиевого сплава. Ачиев. Матер. Manuf. Англ. 2007. 20: 119–122.[Google Scholar] 10. Давим Дж. П., Рейс П. Передовые композитные материалы будущего в аэрокосмической промышленности. Compos. Struc. 2003. 59: 481–487. DOI: 10.1016 / S0263-8223 (02) 00257-X. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мразова М. Перспективные композитные материалы будущего в авиакосмической промышленности. Бюллетень INCAS. 2013; 5: 139–150. DOI: 10.13111 / 2066-8201.2013.5.3.14. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Танигучи Н., Нишиваки Т., Кавада Х. Прочность на разрыв однонаправленного ламината из углепластика при высокой скорости деформации. Adv. Compos.Матер. 2007. 16: 167–180. DOI: 10.1163 / 156855107780918937. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J. Повышение теплопроводности полимерных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном, путем покрытия высокоориентированных графитовых пленок. Матер. Des. 2015; 88: 1063–1070. DOI: 10.1016 / j.matdes.2015.09.096. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J., Yang W. Тепловые и механические свойства композитов из углеродного волокна с полимерной матрицей с трехмерной теплопроводностью. Compos.Struc. 2016; 149: 213–219. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.04.010. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван З., Ци Р., Ван Дж., Ци С. Улучшение теплопроводности эпоксидного композита, наполненного расширенным графитом. Ceram. Int. 2015; 41: 13541–13546. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2015.07.148. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжоу Ю., Яо Ю., Чен С. Ю., Мун К., Ван Х., Вонг К. Использование наполнителей из модифицированного полиимидом нитрида алюминия в композитах AlN @ PI / Epoxy с повышенной теплопроводностью для герметизации электроники.Sci. Отчет 2014; 4: 1–6. DOI: 10,1038 / srep04779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цуй В., Ду Ф., Чжао Дж., Чжан В., Ян Ю., Се X., Май Ю.В. Повышение теплопроводности при сохранении высокого удельного электрического сопротивления эпоксидных композитов за счет включения многослойных углеродных нанотрубок с покрытием из диоксида кремния. Углерод. 2011; 49: 495–500. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.09.047. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Мамуня Ю.П., Давыденко В.В., Писсис П., Лебедев Е.В. Электропроводность и теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками.Евро. Polym. J. 2002; 38: 1887–1897. DOI: 10.1016 / S0014-3057 (02) 00064-2. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Пак С.Ю., Ким Х.М., Ким С.Ю., Юн Дж.Р. Синергетическое улучшение теплопроводности термопластичных композитов со смешанным нитридом бора и наполнителями из многослойных углеродных нанотрубок. Углерод. 2012; 50: 4830–4838. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.06.009. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Се С.Ю., Чунг С.Л. Эпоксидная формовочная масса с высокой теплопроводностью, наполненная порошком AlN, синтезированным методом горения. Дж.Прил. Polym. Sci. 2006. 102: 4734–4740. DOI: 10.1002 / приложение.25000. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ваттанакул К., Мануспизи Х., Янумет Н. Теплопроводность и механические свойства эпоксидного композита с BN-наполнителем: влияние содержания наполнителя, условий смешивания и размера агломерата BN. J. Compos. Матер. 2010; 45: 1967–1980. DOI: 10.1177 / 0021998310393297. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Ван З., Лизука Т., Козако М., Оки Ю., Танака Т. Разработка композитов на основе эпоксидной смолы и BN с высокой теплопроводностью и достаточной диэлектрической прочностью на пробой. Часть I. Подготовка образцов и теплопроводность.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 2011; 18: 1963–1972. DOI: 10.1109 / TDEI.2011.6118634. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Гангули С., Рой А.К., Андерсон Д.П. Улучшенная теплопроводность для химически функционализированных композитов из вспученного графита и эпоксидной смолы. Углерод. 2008. 46: 806–817. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.02.008. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Никкеши С., Кудо М., Масуко Т. Динамические вязкоупругие свойства и термические свойства композитов порошок Ni – эпоксидная смола. J. Appl. Polym. Sci. 1996; 69: 2593–2598.DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4628 (19980926) 69:13 <2593 :: AID-APP9> 3.0.CO; 2-5. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Но Й.Дж., Ким С.Й. Синергетическое улучшение теплопроводности в полимерных композитах, наполненных углеродным волокном на основе пека и нанопластинами графена. Polym. Тестовое задание. 2015; 45: 132–138. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2015.06.003. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мойсала А., Ки К., Кинлох И.А., Виндл А.Х. Тепловая и электрическая проводимость однослойных и многослойных углеродных нанотрубок-эпоксидных композитов.Compos. Sci. Technol. 2006; 66: 1285–1288. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2005.10.016. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ян К., Гу М. Повышенная теплопроводность эпоксидных нанокомпозитов, наполненных гибридной системой наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных триэтилентетрамином, и наноразмерного карбида кремния, модифицированного силаном. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2010. 41: 215–221. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2009.10.019. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Юнг К.С., Лием Х. Повышенная теплопроводность эпоксидно-матричного композита из нитрида бора за счет мультимодального смешивания размеров частиц.J. Appl. Polym. Sci. 2007; 106: 3587–3591. DOI: 10.1002 / app.27027. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Карадонна А., Бадини К., Падовано Э., Пьетролуонго М. Электрическая и теплопроводность композитов эпоксидно-углеродный наполнитель, обработанных каландрированием. Материалы. 2019; 12: 1522. DOI: 10.3390 / ma12091522. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Хан С., Лин Дж. Т., Ямада Ю., Чунг Д. Д. Л. Повышение теплопроводности и модуля сжатия композитов углеродного волокна полимер-матрица в направлении сквозной толщины путем наноструктурирования межслойной границы раздела с углеродной сажей.Углерод. 2008; 46: 1060–1071. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ли Ю., Чжан Х., Лю Ю., Ван Х., Хуанг З., Пейджс Т., Билотти Э. Синергетические эффекты гибридных углеродных наночастиц с напылением для повышения электрической и тепловой поверхностной проводимости ламинатов из углепластика. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2018; 105: 9–18. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2017.10.032. [CrossRef] [Google Scholar] 32. ASTM D790–03 – Стандартные методы испытаний свойств изгиба неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.ASTM International; Вест Коншохокен, Пенсильвания, США: 2003. [Google Scholar] 33. Ким Х., Парк С., Хинсберг В.Д. Наноструктуры на основе блок-сополимеров: материалы, процессы и приложения в электронике. Chem. Ред. 2010; 110: 146–177. DOI: 10.1021 / cr9v. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ли З., Ван Л., Фэн Ю., Фэн В. Функциональные наноматериалы на основе углерода: получение, свойства и применение. Compos. Sci. Technol. 2019; 179: 10–40. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2019.04.028. [CrossRef] [Google Scholar] 35.Kandare E., Khatibi A.A., Yoo S., Wang R., Ma J., Olivier P., Gleises N., Wang C.H. Улучшение теплопроводности и электропроводности по всей толщине слоистых материалов из углеродного волокна / эпоксидной смолы за счет использования синергии между нановключениями графена и серебра. Композиты: Часть A. 2015; 69: 72–82. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2014.10.024. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжан С., Цао X.Y., Ма Ю.М., Кэ Ю.С., Чжан Дж.К., Ван Ф.С. Влияние размера и содержания частиц на теплопроводность и механические свойства композитов Al2O3 / полиэтилен высокой плотности (HDPE).Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 581–590. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.57. [CrossRef] [Google Scholar]

Повышение вертикальной теплопроводности эпоксидных композитов, армированных углеродным волокном, путем послойного контакта неорганических кристаллов

Материалы (Базель). 2019 Октябрь; 12 (19): 3092.

Ынби Ли

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Чи Хён Чо

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Сэ Хун Хван

1 Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Мин-Гын Ким

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Чон Ву Хан

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Ханмин Ли

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Джун Хюп Ли

Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонъин, Кёнги 17058, Корея

1 Кафедра химического машиностроения, Мён gji University, Yongin, Gyeonggi 17058, Korea

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Поступило 4 сентября 2019 г .; Принята в печать 20 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), представляет собой легкий и жесткий композит, применяемый в различных областях, например, в авиации и автомобилестроении. Однако из-за своей низкой теплопроводности он недостаточно рассеивает тепло и, таким образом, накапливает тепловую нагрузку.Здесь мы сообщили о простой и эффективной стратегии улучшения теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика с помощью послойного покрытия из неорганических кристаллов. Они могут обеспечить эффективные пути теплопередачи за счет послойного контакта внутри получаемого композитного материала. Композиты из углепластика с высокой теплопроводностью были приготовлены с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей, состоящих из алюминия, магния и меди на препреге, посредством процесса послойного покрытия.Вертикальная теплопроводность чистого углепластика была увеличена до 87% при использовании магниевого наполнителя с очень низким содержанием 0,01 мас.%. Было также подтверждено, что чем выше было увеличение теплопроводности, тем лучше были механические свойства. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что послойное включение неорганических кристаллов может привести к улучшенной теплопроводности по всей толщине и механическим свойствам композитов, которые могут найти применение в различных областях промышленности.

Ключевые слова: полимер, армированный углеродным волокном, неорганические кристаллы, послойное покрытие, механическая прочность, теплопроводность

1. Введение

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие непрерывные композитные материалы из углеродного волокна, которые показать высокую прочность [1,2,3]. Помимо превосходных механических характеристик [4,5], они обладают потенциалом замены тяжелых металлов из-за их высокой коррозионной стойкости [6]. Следовательно, такие материалы применялись в широком диапазоне областей, от гражданской / военной авиации, космической промышленности до автомобильной промышленности, а также в спорте, где легкие материалы необходимы [7,8,9,10,11, 12].Однако термопластичные смолы с низкой теплопроводностью ограничивают коммерческое использование углепластика в качестве полимерной матрицы для композитов [13,14]. Композиты с низкой теплопроводностью не рассеивают тепло быстро, а накапливают тепло, что вызывает ухудшение механических свойств из-за отслаивания между углеродным волокном и полимерной матрицей композита. Теплопроводность зависит от направления углеродного волокна. В непрерывном композитном материале из углеродного волокна, поскольку углеродные волокна выровнены в направлении в плоскости, вертикальная теплопроводность намного ниже, чем в направлении в плоскости.Следовательно, очень важно улучшить теплопроводность композита по всей толщине без ухудшения его механических характеристик.

Для улучшения теплопроводности композита необходимо улучшить внутреннюю теплопередачу полимерной матрицы, которая имеет более низкую теплопроводность и легче модифицируется, чем углеродное волокно. Одним из методов улучшения теплопроводности полимерной матрицы является использование наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как графит и нитрид бора [15,16,17,18,19,20], при этом такие наполнители механически диспергированы в полимерной матрице. с помощью смесителя или трехвалковой мельницы [21,22,23,24,25,26,27,28,29].Однако в случае углепластика этот метод трудно применить, поскольку углеродное волокно пропитано полимерной матрицей. В случае углепластика наполнители могут быть нанесены на ткани из углеродного волокна с использованием ванны или процесса нанесения покрытия прямым распылением перед производством композита [30,31]. Наполнители в композите CFRP улучшают теплопроводность, обеспечивая короткие пути теплопередачи. Однако обеспечение оптимального содержания наполнителя важно для эффективного обеспечения путей теплопередачи с использованием наполнителей.Если содержание наполнителя слишком низкое, могут возникнуть трудности с формированием путей теплопередачи. Напротив, если содержание слишком велико, наполнитель может агрегироваться, что ухудшает взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей, что приводит к ухудшению теплопроводности и механических свойств. Также важно проанализировать, как интерфейс теплопередачи из-за взаимодействия с полимерной матрицей зависит от размера и структуры наполнителя. Сильное взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей может снизить межфазное сопротивление между ними, тем самым эффективно передавая тепло.

В этой работе мы представили простую и эффективную стратегию изготовления композитов из углепластика с высокой теплопроводностью, которые одновременно обеспечивают превосходную вертикальную теплопроводность и механическую прочность за счет послойного включения неорганических кристаллов. Три различных типа неорганических кристаллических наполнителей, включающих алюминий, магний и медь, были использованы для исследования зависимости увеличения вертикальной теплопроводности от структуры неорганических наполнителей.Углепластик, содержащий неорганические кристаллические наполнители, был получен с помощью простого процесса нанесения покрытия слой за слоем. Неорганические кристаллические наполнители были нанесены на поверхность множества препрегов послойным нанесением напылением, чтобы привести к послойному контакту наполнителей внутри композитов. Таким образом, наполнители с высокой теплопроводностью обеспечивали путь для передачи тепла внутри углепластика с низкой теплопроводностью через послойный контакт, так что композит мог эффективно рассеивать тепло, не накапливая его.Мы проанализировали микроскопическую поверхность, размер и структуру неорганических кристаллических наполнителей с помощью изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и измерили вертикальную теплопроводность и прочность на изгиб углепластика, покрытого неорганическими наполнителями. Теплопроводность и механические свойства углепластика, покрытого тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, сравнивались с характеристиками чистого углепластика, и обсуждались вариации поведения теплопроводности и механических свойств углепластика в зависимости от размера и структуры наполнителей.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Препреги

CFRP (USN 300BP), состоящие из непрерывных углеродных волокон, были получены от SK Chemicals (Сеул, Корея). Препрег состоял из смолы и углеродного волокна массой 33 мас.% И 67 мас.%, Соответственно, и был однонаправленным. Смола в препреге включала диглицидиловый эфир эпоксидной смолы бисфенола А, смолу на основе сложного цианатного эфира и сформулированный отвердитель. Углеродное волокно Pyrofil TR50S диаметром 6–8 мкм и плотностью 1.82 г см −1 . Поверхностная масса волокна составляла 300 г / м -3 , а толщина одного препрега составляла 0,288 мм. Неорганические кристаллические наполнители, используемые для улучшения вертикальной теплопроводности углепластика, представляли собой алюминий, магний и медь. Порошки алюминия и магния х.ч. были получены от DUKSAN PHARMACEUTICAL (Ansan, Корея) и DAEJUNG (Siheung, Корея) соответственно. Кроме того, чистый медный порошок был получен от Junsei Chemical (Токио, Япония). Дисперсионный растворитель, используемый для распыления неорганических кристаллических наполнителей путем послойного покрытия, представлял собой этанол особой чистоты, приобретенный в SAMCHUN (Сеул, Корея).

2.2. Послойное покрытие неорганических кристаллов

Неорганические кристаллические наполнители наносили на препрег с помощью воздушного распылителя. Пистолет-распылитель (K-3, BLUEBIRD, Сеул, Корея), используемый для нанесения покрытия на наполнители, был подключен к воздушному компрессору (KAC-25, KEYANG, Сеул, Корея). Неорганические кристаллические наполнители диспергировали в этаноле перед нанесением покрытия из пистолета-распылителя. Концентрация неорганических кристаллических наполнителей, диспергированных в этаноле, составляла 0,1–4 г / 100 мл. Раствор диспергировали в течение 10 мин с помощью цифрового ультразвукового устройства (digital sonifier 250, Branson, St.Луис, Миссури, США) для гомогенизации перед нанесением покрытия. Раствор, диспергированный с помощью цифрового ультразвукового устройства, был непосредственно нанесен распылением на препреги размером 40 мм × 40 мм без какой-либо химической обработки. Препреги, покрытые раствором дисперсии, сушили при 30 ° C в течение 30 мин для испарения этанола. Массовая доля неорганических кристаллических наполнителей в композитах рассчитывалась путем взвешивания препрегов до и после нанесения покрытия на кристаллический наполнитель.

2.3. Приготовление композитов из углепластика

Форма и поршень из стали использовались для изготовления композитов из углепластика одинаковой толщины.Размеры формы и поршня составляли 40 мм × 40 мм × 6 мм и 39 мм × 39 мм × 5 мм, соответственно, а полученные композиты из углепластика имели размеры 40 мм × 40 мм × 1 мм. Мы уложили полиимидные (PI) пленки сверху и снизу препрегов, чтобы препреги не прилипали к форме и поршню после того, как они были изготовлены при высоких температурах и давлениях. В качестве первого шага на пластину из стали уложили пленку ПИ, а форму поместили на пленку ПИ. Затем четыре отрезанных по размеру препрега укладывали стопкой в ​​одном направлении.На втором этапе поршень помещали на пленку PI поверх сложенных друг на друга препрегов и прижимали препреги к высоте формы. На заключительном этапе композиты из углепластика были приготовлены путем прессования препрегов при 200 ° C и давлении 5 бар в течение 2 часов с использованием горячего пресса (M, CARVER, Wabash, IN, USA). Композиты из углепластика, покрытые неорганическими кристаллическими наполнителями, были приготовлены таким же образом, только верхний препрег был приготовлен без какого-либо наполнителя.

2.4. Характеристика

Структуру частиц неорганических кристаллических наполнителей определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SU-70, HITACHI, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.Неорганические кристаллические наполнители были покрыты платиной и исследованы с помощью SEM. Кроме того, неорганический кристаллический наполнитель, нанесенный на поверхность препрега, оценивали на его агрегационные свойства с помощью оптической микроскопии (OM, BX51, Olympus, Tokyo, Japan). Вертикальная теплопроводность композитов из углепластика измерялась при 25 ° C с использованием термометров (UT321, UNI-T, Дунгуань, Китай), а в качестве источника тепла использовались горячие пластины (MSH-20D, DAIHAN Scientific, Вонджу, Корея). Термопары (k-типа, Дунгуань, Китай) использовались для измерения изменения температуры поверхности композитов из углепластика.Образец (40 мм × 40 мм × 1 мм) помещали на горячую плиту при температуре 150 ° C, и изменение температуры верхней части образца регистрировали с помощью программного обеспечения UT320 (v1.0, UNI-T, Dongguan , Китай). Теплоизоляция использовалась для изоляции сторон образца для предотвращения потери тепла. Вертикальная теплопроводность была рассчитана с использованием закона теплопроводности Фурье с использованием уравнения Q = −kA dT / dL, где Q — тепловой поток горячей пластины, 11,408 Вт · м −1 , k — теплопроводность в вертикальном направлении. направление, а A — площадь образца.Здесь dT относится к разности температур образца в вертикальном направлении, полученной с использованием T 1 = 150 ° C и T 2 (получено экспериментально), а dL относится к толщине образца, измеренной с помощью нониуса. каверномер. Размер образца для испытания на прочность на изгиб составлял 40 мм × 4 мм × 1 мм. Прочность на изгиб измеряли с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D790–03 [32] на универсальной испытательной машине (UTM, LD 5K, LLOYD, Bognor Regis, UK).

3.Результаты

схематически показывает приготовление композитов из углепластика с высокой теплопроводностью с использованием послойного включения трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Эпоксидно-полимерная матрица композитов из углепластика задерживает теплопередачу из-за ее низкой теплопроводности. Таким образом, послойный контакт с использованием неорганических кристаллических наполнителей с высокой теплопроводностью облегчил пути теплопередачи к эпоксидной смоле, которые составляли зону задержки теплопередачи. Три типа неорганических кристаллических наполнителей взаимодействуют с полимерной матрицей с различными поверхностями теплообмена в зависимости от размера и структуры частиц [33,34,35].

Принципиальная схема получения композитов из высокотеплопроводного армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с неорганическими кристаллическими наполнителями с использованием послойного покрытия.

3.1. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-изображения трех типов неорганических кристаллических наполнителей показаны на рис. Наполнители имели разные размеры и структуру. Алюминий и магний показали неоднородную трехмерную сферическую структуру. В отличие от этих двух наполнителей медь имела плоскую пластинчатую двумерную структуру.Частицы алюминия имели средний диаметр 70 мкм, что было наименьшим среди наполнителей, рассмотренных в данной работе. Средний диаметр самого крупного наполнителя, частицы магния, составлял 200 мкм. Средний диаметр частиц меди 90 мкм.

СЭМ-изображения трех неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминия; ( b ) магний; ( c ) медь.

3.2. Оптическая микроскопия (ОМ) Анализ

изображений ОМ были получены для определения агрегационного поведения неорганического кристаллического наполнителя в зависимости от его содержания.представлены оптические и фотографические изображения чистого углепластика и углепластика с алюминиевым наполнителем. По сравнению с чистым препрегом из углепластика препрег с алюминиевым покрытием с высоким содержанием 0,4 мас.% Алюминия показал большую агрегацию наполнителей в отличие от препрега с покрытием с низким содержанием 0,01 мас.%, Как показано на а. Кроме того, агрегация наполнителя, которая происходила по мере увеличения содержания, ухудшала взаимодействие с полимерной матрицей и вызывала межслойный воздушный зазор в композите, что подтверждается в b, где показан вертикальный вид композитов из углепластика.Этот воздушный зазор препятствовал вертикальному тепловому потоку через канал теплопередачи, образованный наполнителем, и снижал скорость увеличения теплопроводности.

( a ) Изображения препрегов из углепластика: чистого препрега и препрегов, покрытых алюминием, с помощью оптической микроскопии; ( b ) Вертикальный вид композитов из углепластика с алюминиевым покрытием.

3.3. Анализ вертикальной теплопроводности

показывает изменение теплопроводности по толщине k (Вт · м -1 K -1 ) в зависимости от содержания трех типов неорганических кристаллических наполнителей.Здесь чистый углепластик относится к композиту углепластика той же спецификации, что и образец без каких-либо наполнителей. Измеренная вертикальная теплопроводность чистого углепластика составила 0,912 Вт · м -1 K -1 . Для композитов из углепластика, покрытых неорганическими кристаллическими наполнителями, теплопроводность измеряли, когда содержание наполнителя составляло 0,01, 0,1, 0,2, 0,4 мас.% По сравнению с композитами из углепластика. Включение алюминиевого наполнителя увеличивало вертикальную теплопроводность с увеличением содержания и показало самую высокую теплопроводность, равную 1.462 Вт · м -1 K -1 при 0,1 мас.%, Что продемонстрировало улучшение на 60% по сравнению с чистым углепластиком. При превышении 0,1 мас.%, Что привело к наивысшей теплопроводности, повышение теплопроводности уменьшилось, но теплопроводность все еще была выше, чем у чистого углепластика. Магниевый наполнитель показал самую высокую теплопроводность 1,710 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 87% при низком содержании 0,01 мас.%. При содержании 0,1 мас.% Магния теплопроводность была такой же, как у алюминия с наибольшей теплопроводностью, кроме того, теплопроводность уменьшалась.Медный наполнитель показал вертикальную теплопроводность 1,650 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 81% при содержании 0,01 мас.%. При его содержании 0,1 мас.% Теплопроводность увеличилась на 1,634 Вт · м −1 K −1 с улучшением на 79%. При 0,2 мас.% Или более увеличение теплопроводности уменьшалось.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, по отношению к массовой доле наполнителя: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает увеличение теплопроводности по всей толщине, полученное с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей и их содержания. Среди них углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал улучшение теплопроводности на 87% при 1,710 Вт · м -1 K -1 и самое высокое улучшение теплопроводности. Кроме того, углепластики, покрытые 0,01 мас.% И 0,1 мас.% Меди, демонстрируют высокое повышение теплопроводности, которое было ниже, чем у углепластиков с покрытием 0.01 мас.% Магния.

Повышение теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

3.4. Анализ механических свойств

показывает прочность на изгиб (МПа) для оценки механических свойств композитов из углепластика. Чистый углепластик показал прочность на изгиб 2861 МПа в испытании на трехточечный изгиб.Алюминиевый наполнитель показал прочность на изгиб 2731 МПа, сравнимую с прочностью чистого углепластика, при содержании 0,01 мас.%, А прочность на изгиб снижалась при содержании 0,1 мас.% Или выше. Прочность на изгиб углепластика, покрытого 0,01 мас.% Магния, который продемонстрировал наибольшее повышение теплопроводности, составляла 2726 МПа. Он был почти эквивалентен чистому углепластику. Более того, магниевый наполнитель проявлял ту же тенденцию, что и алюминий, к снижению прочности на изгиб при содержании 0,1 мас.% Или выше.Покрытые медью углепластики не показали критического ухудшения механических свойств до содержания 0,2 мас.%, Но показали ухудшение механических свойств при содержании 0,4 мас.%.

Прочность на изгиб композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает изменение вертикальной теплопроводности в зависимости от прочности на изгиб. В композитах из углепластика, изготовленных путем послойного покрытия из неорганических кристаллических наполнителей, теплопроводность и прочность на изгиб имеют тенденцию к одновременному увеличению.Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал самую высокую теплопроводность, а также высокую прочность на изгиб.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, в зависимости от прочности на изгиб. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

4. Обсуждение

Поведение вертикальной теплопроводности композитов из углепластика с послойным включением неорганических кристаллов можно рационализировать на основе размера и структуры наполнителей.Наполнители из алюминия и магния имеют аналогичную структуру с неоднородной сферической формой, но частицы магния имеют больший размер. Когда вертикальная теплопроводность композитов из углепластика, покрытых двумя видами наполнителей схожей структуры, но разных размеров, сравнивалась для каждой массовой доли, было обнаружено, что магниевый наполнитель увеличивает теплопроводность в большей степени или аналогично алюминию, как показано на рис. В то время как включение алюминиевого наполнителя увеличило теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 при содержании 0,1 мас.% Включение магниевого наполнителя в углепластик позволило достичь максимального увеличения теплопроводности при низком содержании 0,01 мас.%, Что представляет собой 10-кратное улучшение по сравнению с алюминий. Это могло быть связано с размером частиц наполнителя. Покрытые алюминием углепластики были заделаны мелкими частицами наполнителя, которые могли обеспечить больше путей теплопередачи, чем крупный магниевый наполнитель при том же содержании, когда они гомогенно смешаны с полимерной матрицей.Однако, поскольку мы использовали процесс нанесения покрытия распылением слой за слоем вместо процесса смешивания наполнителя, большой размер магния был более предпочтительным для обеспечения вертикального пути теплопередачи при низком содержании наполнителя. Таким образом, магниевые и медные наполнители увеличили теплопроводность по толщине до 1,710 Вт · м −1 K −1 и 1,650 Вт · м −1 K −1 соответственно при 0,01 мас.%, Что составило 10 раз меньше, чем 0,1 мас.% алюминия, что увеличивает теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 .

Кроме того, подтверждена агрегация неорганического кристаллического наполнителя при высоком содержании: это может привести к ухудшению взаимодействия между наполнителем и матрицей и ухудшить вертикальную теплопроводность и механические свойства композитов. Когда сравнивали прочность на изгиб, как показано на фиг.3, композиты с алюминиевым покрытием давали лучшие или сопоставимые результаты с точки зрения тех, которые наблюдались для композитов с магниевым покрытием.Ухудшение механических свойств из-за агломерации наполнителя было вызвано разрушением, поскольку сила была сосредоточена на агрегированной части наполнителя. Следовательно, когда размер агрегации был небольшим, механические свойства были лучше [36]. Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, который достиг наивысшей теплопроводности, показал механические свойства, сопоставимые с чистым углепластиком, из-за низкой агрегации при низком содержании. Таким образом, эффективное увеличение теплопроводности при очень низком содержании, например, магния и медных наполнителей, является очень полезным.

Медный наполнитель представляет собой неорганическую кристаллическую частицу с пластинчатой ​​структурой. Он показал более высокое повышение теплопроводности и прочность на изгиб по сравнению с другими наполнителями при содержании 0,1 мас.% Или более. Это связано с тем, что медный наполнитель имеет меньшую площадь поверхности, чем алюминий или магний, и менее склонен к агломерации, и даже если агломерация происходит, агломерированный размер меньше, чем у магния. Однако с точки зрения свойств теплопроводности и стоимости наиболее важным фактором является улучшение вертикальной теплопроводности за счет низкой массовой доли неорганического кристаллического наполнителя.Таким образом, магниевый наполнитель, показавший наивысшее повышение теплопроводности и высокие механические свойства при низком содержании 0,01 мас.%, Считался наиболее подходящим наполнителем для улучшения вертикальной теплопроводности композита углепластика с использованием послойного покрытия. процесс. представлена ​​корреляция между повышенной вертикальной теплопроводностью и механическими свойствами. Этот результат показал, что прочность на изгиб также увеличивалась с увеличением теплопроводности.Экспериментальные данные также подтвердили, что низкое содержание наполнителя с меньшей степенью агрегации является важным фактором для поддержания механической прочности чистого углепластика. Наконец, углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магния, обозначенный красными квадратами, показал самое высокое улучшение вертикальной теплопроводности при сохранении механической прочности по сравнению с характеристиками других наполнителей.

5. Выводы

В этой работе мы изготовили теплопроводящие композиты из углепластика с превосходной вертикальной теплопроводностью и механической прочностью, используя послойное покрытие из неорганических кристаллических наполнителей.Алюминий, магний и медь — частицы разных размеров и структур — использовались в качестве неорганических кристаллических наполнителей. Эти наполнители улучшили вертикальную теплопроводность чистого углепластика до 87%. В частности, магниевый наполнитель привел к наибольшему увеличению теплопроводности по всей толщине при очень низком содержании 0,01 мас.%, А также привел к превосходным механическим свойствам, сопоставимым со свойствами чистого углепластика. Он мог эффективно обеспечивать вертикальные пути теплопередачи, поскольку диаметр частиц наполнителя был больше, чем у алюминиевых и медных наполнителей.Кроме того, поскольку он имеет сферическую форму, вертикальная теплопроводность может быть улучшена в большей степени, даже при меньшем уровне, чем у пластинчатого медного наполнителя. На основе этих результатов было подтверждено, что форма и размер неорганического кристаллического наполнителя являются важными факторами, которые следует учитывать при попытках улучшить вертикальную теплопроводность при сохранении механических свойств композита углепластика за счет послойного включения неорганических кристаллов. . Эта работа также послужила основой для расширения области применения углепластика, предложив эффективный путь, который одновременно обеспечивает достижение их механических свойств и вертикальной теплопроводности за счет использования очень малых количеств неорганических кристаллических наполнителей.

Вклад авторов

E.L., H.L. и J.H.L. концептуализировал явление. М.-Г.К. и J.W.H. разработал проект. E.L., C.H.C. и S.H.H. провели эксперименты. Все авторы написали рукопись и проанализировали данные. Х.Л. и Дж.Х.Л. курировал весь проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Международной программой совместных исследований и разработок, финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея). Эта работа также была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No.NRF-2018R1A5A1024127).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирующие организации не играли никакой роли в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи и в решении опубликовать результаты.

Ссылки

1. Barros J.A.O., Fortes A.S. Усиление бетонных балок на изгиб с помощью ламината углепластика, вклеенного в прорези. Джем. Concr. Compos. 2005. 27: 471–480. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.07.004. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Янагимото Дж., Икеучи К. Процесс формирования листа из армированного углеродным волокном пластика для легких деталей. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2012; 61: 247–250. DOI: 10.1016 / j.cirp.2012.03.129. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Бергер Д., Брабандт Д., Бакир К., Хорнунг Т., Ланца Г., Сумма Дж., Шварц М., Херрманн Х. Г., Поль М., Стоммель М. Влияние дефектов при серийном производстве легких компонентов гибридного углепластика — Выявление и оценка критических характеристик качества.Измерение. 2017; 95: 389–394. DOI: 10.1016 / j.measurement.2016.10.003. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Джессен Н.К., Норгаард-Нильсен Х.У., Шролл Дж. Легкие конструкции из углепластика для очень больших телескопов. Compos. Struc. 2008. 82: 310–316. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2007.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ли К.К. Структура, электрохимические и противоизносно-коррозионные свойства никель-фосфорного осаждения на композитах из углепластика. Матер. Chem. Phys. 2009. 114: 125–133. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2008.08.088. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чжан Ю.Л., Ян З.В., Чжан Дж.Й., Тао С.Дж. Характеристики низкоскоростного ударного повреждения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), с помощью инфракрасной термографии. Инфракрасный физ. Technol. 2016; 76: 91–102. DOI: 10.1016 / j.infrared.2016.09.014. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Дер А., Калуза А., Курле Д., Херрманн К., Кара С., Варлей Р. Инженерия жизненного цикла углеродных волокон для легких конструкций. Процедуры CIRP. 2018; 69: 43–48. DOI: 10.1016 / j.procir.2017.11.007.[CrossRef] [Google Scholar] 8. Счелси Л., Боннер М., Ходзич А., Сутис К., Скайф Р., Риджуэй К. Потенциальная экономия выбросов легких композитных компонентов самолета, оцененная посредством оценки жизненного цикла. Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 209–217. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.20. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Hufenbach W., Dobrzanski L.A., Gude M., Konieczny J., Czulak A.J. Оптимизация заклепочных соединений композитного материала углепластика и алюминиевого сплава. Ачиев. Матер. Manuf. Англ. 2007. 20: 119–122.[Google Scholar] 10. Давим Дж. П., Рейс П. Передовые композитные материалы будущего в аэрокосмической промышленности. Compos. Struc. 2003. 59: 481–487. DOI: 10.1016 / S0263-8223 (02) 00257-X. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мразова М. Перспективные композитные материалы будущего в авиакосмической промышленности. Бюллетень INCAS. 2013; 5: 139–150. DOI: 10.13111 / 2066-8201.2013.5.3.14. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Танигучи Н., Нишиваки Т., Кавада Х. Прочность на разрыв однонаправленного ламината из углепластика при высокой скорости деформации. Adv. Compos.Матер. 2007. 16: 167–180. DOI: 10.1163 / 156855107780918937. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J. Повышение теплопроводности полимерных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном, путем покрытия высокоориентированных графитовых пленок. Матер. Des. 2015; 88: 1063–1070. DOI: 10.1016 / j.matdes.2015.09.096. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J., Yang W. Тепловые и механические свойства композитов из углеродного волокна с полимерной матрицей с трехмерной теплопроводностью. Compos.Struc. 2016; 149: 213–219. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.04.010. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван З., Ци Р., Ван Дж., Ци С. Улучшение теплопроводности эпоксидного композита, наполненного расширенным графитом. Ceram. Int. 2015; 41: 13541–13546. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2015.07.148. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжоу Ю., Яо Ю., Чен С. Ю., Мун К., Ван Х., Вонг К. Использование наполнителей из модифицированного полиимидом нитрида алюминия в композитах AlN @ PI / Epoxy с повышенной теплопроводностью для герметизации электроники.Sci. Отчет 2014; 4: 1–6. DOI: 10,1038 / srep04779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цуй В., Ду Ф., Чжао Дж., Чжан В., Ян Ю., Се X., Май Ю.В. Повышение теплопроводности при сохранении высокого удельного электрического сопротивления эпоксидных композитов за счет включения многослойных углеродных нанотрубок с покрытием из диоксида кремния. Углерод. 2011; 49: 495–500. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.09.047. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Мамуня Ю.П., Давыденко В.В., Писсис П., Лебедев Е.В. Электропроводность и теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками.Евро. Polym. J. 2002; 38: 1887–1897. DOI: 10.1016 / S0014-3057 (02) 00064-2. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Пак С.Ю., Ким Х.М., Ким С.Ю., Юн Дж.Р. Синергетическое улучшение теплопроводности термопластичных композитов со смешанным нитридом бора и наполнителями из многослойных углеродных нанотрубок. Углерод. 2012; 50: 4830–4838. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.06.009. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Се С.Ю., Чунг С.Л. Эпоксидная формовочная масса с высокой теплопроводностью, наполненная порошком AlN, синтезированным методом горения. Дж.Прил. Polym. Sci. 2006. 102: 4734–4740. DOI: 10.1002 / приложение.25000. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ваттанакул К., Мануспизи Х., Янумет Н. Теплопроводность и механические свойства эпоксидного композита с BN-наполнителем: влияние содержания наполнителя, условий смешивания и размера агломерата BN. J. Compos. Матер. 2010; 45: 1967–1980. DOI: 10.1177 / 0021998310393297. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Ван З., Лизука Т., Козако М., Оки Ю., Танака Т. Разработка композитов на основе эпоксидной смолы и BN с высокой теплопроводностью и достаточной диэлектрической прочностью на пробой. Часть I. Подготовка образцов и теплопроводность.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 2011; 18: 1963–1972. DOI: 10.1109 / TDEI.2011.6118634. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Гангули С., Рой А.К., Андерсон Д.П. Улучшенная теплопроводность для химически функционализированных композитов из вспученного графита и эпоксидной смолы. Углерод. 2008. 46: 806–817. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.02.008. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Никкеши С., Кудо М., Масуко Т. Динамические вязкоупругие свойства и термические свойства композитов порошок Ni – эпоксидная смола. J. Appl. Polym. Sci. 1996; 69: 2593–2598.DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4628 (19980926) 69:13 <2593 :: AID-APP9> 3.0.CO; 2-5. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Но Й.Дж., Ким С.Й. Синергетическое улучшение теплопроводности в полимерных композитах, наполненных углеродным волокном на основе пека и нанопластинами графена. Polym. Тестовое задание. 2015; 45: 132–138. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2015.06.003. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мойсала А., Ки К., Кинлох И.А., Виндл А.Х. Тепловая и электрическая проводимость однослойных и многослойных углеродных нанотрубок-эпоксидных композитов.Compos. Sci. Technol. 2006; 66: 1285–1288. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2005.10.016. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ян К., Гу М. Повышенная теплопроводность эпоксидных нанокомпозитов, наполненных гибридной системой наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных триэтилентетрамином, и наноразмерного карбида кремния, модифицированного силаном. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2010. 41: 215–221. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2009.10.019. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Юнг К.С., Лием Х. Повышенная теплопроводность эпоксидно-матричного композита из нитрида бора за счет мультимодального смешивания размеров частиц.J. Appl. Polym. Sci. 2007; 106: 3587–3591. DOI: 10.1002 / app.27027. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Карадонна А., Бадини К., Падовано Э., Пьетролуонго М. Электрическая и теплопроводность композитов эпоксидно-углеродный наполнитель, обработанных каландрированием. Материалы. 2019; 12: 1522. DOI: 10.3390 / ma12091522. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Хан С., Лин Дж. Т., Ямада Ю., Чунг Д. Д. Л. Повышение теплопроводности и модуля сжатия композитов углеродного волокна полимер-матрица в направлении сквозной толщины путем наноструктурирования межслойной границы раздела с углеродной сажей.Углерод. 2008; 46: 1060–1071. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ли Ю., Чжан Х., Лю Ю., Ван Х., Хуанг З., Пейджс Т., Билотти Э. Синергетические эффекты гибридных углеродных наночастиц с напылением для повышения электрической и тепловой поверхностной проводимости ламинатов из углепластика. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2018; 105: 9–18. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2017.10.032. [CrossRef] [Google Scholar] 32. ASTM D790–03 – Стандартные методы испытаний свойств изгиба неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.ASTM International; Вест Коншохокен, Пенсильвания, США: 2003. [Google Scholar] 33. Ким Х., Парк С., Хинсберг В.Д. Наноструктуры на основе блок-сополимеров: материалы, процессы и приложения в электронике. Chem. Ред. 2010; 110: 146–177. DOI: 10.1021 / cr9v. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ли З., Ван Л., Фэн Ю., Фэн В. Функциональные наноматериалы на основе углерода: получение, свойства и применение. Compos. Sci. Technol. 2019; 179: 10–40. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2019.04.028. [CrossRef] [Google Scholar] 35.Kandare E., Khatibi A.A., Yoo S., Wang R., Ma J., Olivier P., Gleises N., Wang C.H. Улучшение теплопроводности и электропроводности по всей толщине слоистых материалов из углеродного волокна / эпоксидной смолы за счет использования синергии между нановключениями графена и серебра. Композиты: Часть A. 2015; 69: 72–82. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2014.10.024. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжан С., Цао X.Y., Ма Ю.М., Кэ Ю.С., Чжан Дж.К., Ван Ф.С. Влияние размера и содержания частиц на теплопроводность и механические свойства композитов Al2O3 / полиэтилен высокой плотности (HDPE).Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 581–590. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.57. [CrossRef] [Google Scholar]

Повышение вертикальной теплопроводности эпоксидных композитов, армированных углеродным волокном, путем послойного контакта неорганических кристаллов

Материалы (Базель). 2019 Октябрь; 12 (19): 3092.

Ынби Ли

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Чи Хён Чо

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Сэ Хун Хван

1 Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Мин-Гын Ким

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Чон Ву Хан

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Ханмин Ли

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Джун Хюп Ли

Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонъин, Кёнги 17058, Корея

1 Кафедра химического машиностроения, Мён gji University, Yongin, Gyeonggi 17058, Korea

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Поступило 4 сентября 2019 г .; Принята в печать 20 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), представляет собой легкий и жесткий композит, применяемый в различных областях, например, в авиации и автомобилестроении. Однако из-за своей низкой теплопроводности он недостаточно рассеивает тепло и, таким образом, накапливает тепловую нагрузку.Здесь мы сообщили о простой и эффективной стратегии улучшения теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика с помощью послойного покрытия из неорганических кристаллов. Они могут обеспечить эффективные пути теплопередачи за счет послойного контакта внутри получаемого композитного материала. Композиты из углепластика с высокой теплопроводностью были приготовлены с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей, состоящих из алюминия, магния и меди на препреге, посредством процесса послойного покрытия.Вертикальная теплопроводность чистого углепластика была увеличена до 87% при использовании магниевого наполнителя с очень низким содержанием 0,01 мас.%. Было также подтверждено, что чем выше было увеличение теплопроводности, тем лучше были механические свойства. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что послойное включение неорганических кристаллов может привести к улучшенной теплопроводности по всей толщине и механическим свойствам композитов, которые могут найти применение в различных областях промышленности.

Ключевые слова: полимер, армированный углеродным волокном, неорганические кристаллы, послойное покрытие, механическая прочность, теплопроводность

1. Введение

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие непрерывные композитные материалы из углеродного волокна, которые показать высокую прочность [1,2,3]. Помимо превосходных механических характеристик [4,5], они обладают потенциалом замены тяжелых металлов из-за их высокой коррозионной стойкости [6]. Следовательно, такие материалы применялись в широком диапазоне областей, от гражданской / военной авиации, космической промышленности до автомобильной промышленности, а также в спорте, где легкие материалы необходимы [7,8,9,10,11, 12].Однако термопластичные смолы с низкой теплопроводностью ограничивают коммерческое использование углепластика в качестве полимерной матрицы для композитов [13,14]. Композиты с низкой теплопроводностью не рассеивают тепло быстро, а накапливают тепло, что вызывает ухудшение механических свойств из-за отслаивания между углеродным волокном и полимерной матрицей композита. Теплопроводность зависит от направления углеродного волокна. В непрерывном композитном материале из углеродного волокна, поскольку углеродные волокна выровнены в направлении в плоскости, вертикальная теплопроводность намного ниже, чем в направлении в плоскости.Следовательно, очень важно улучшить теплопроводность композита по всей толщине без ухудшения его механических характеристик.

Для улучшения теплопроводности композита необходимо улучшить внутреннюю теплопередачу полимерной матрицы, которая имеет более низкую теплопроводность и легче модифицируется, чем углеродное волокно. Одним из методов улучшения теплопроводности полимерной матрицы является использование наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как графит и нитрид бора [15,16,17,18,19,20], при этом такие наполнители механически диспергированы в полимерной матрице. с помощью смесителя или трехвалковой мельницы [21,22,23,24,25,26,27,28,29].Однако в случае углепластика этот метод трудно применить, поскольку углеродное волокно пропитано полимерной матрицей. В случае углепластика наполнители могут быть нанесены на ткани из углеродного волокна с использованием ванны или процесса нанесения покрытия прямым распылением перед производством композита [30,31]. Наполнители в композите CFRP улучшают теплопроводность, обеспечивая короткие пути теплопередачи. Однако обеспечение оптимального содержания наполнителя важно для эффективного обеспечения путей теплопередачи с использованием наполнителей.Если содержание наполнителя слишком низкое, могут возникнуть трудности с формированием путей теплопередачи. Напротив, если содержание слишком велико, наполнитель может агрегироваться, что ухудшает взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей, что приводит к ухудшению теплопроводности и механических свойств. Также важно проанализировать, как интерфейс теплопередачи из-за взаимодействия с полимерной матрицей зависит от размера и структуры наполнителя. Сильное взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей может снизить межфазное сопротивление между ними, тем самым эффективно передавая тепло.

В этой работе мы представили простую и эффективную стратегию изготовления композитов из углепластика с высокой теплопроводностью, которые одновременно обеспечивают превосходную вертикальную теплопроводность и механическую прочность за счет послойного включения неорганических кристаллов. Три различных типа неорганических кристаллических наполнителей, включающих алюминий, магний и медь, были использованы для исследования зависимости увеличения вертикальной теплопроводности от структуры неорганических наполнителей.Углепластик, содержащий неорганические кристаллические наполнители, был получен с помощью простого процесса нанесения покрытия слой за слоем. Неорганические кристаллические наполнители были нанесены на поверхность множества препрегов послойным нанесением напылением, чтобы привести к послойному контакту наполнителей внутри композитов. Таким образом, наполнители с высокой теплопроводностью обеспечивали путь для передачи тепла внутри углепластика с низкой теплопроводностью через послойный контакт, так что композит мог эффективно рассеивать тепло, не накапливая его.Мы проанализировали микроскопическую поверхность, размер и структуру неорганических кристаллических наполнителей с помощью изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и измерили вертикальную теплопроводность и прочность на изгиб углепластика, покрытого неорганическими наполнителями. Теплопроводность и механические свойства углепластика, покрытого тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, сравнивались с характеристиками чистого углепластика, и обсуждались вариации поведения теплопроводности и механических свойств углепластика в зависимости от размера и структуры наполнителей.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Препреги

CFRP (USN 300BP), состоящие из непрерывных углеродных волокон, были получены от SK Chemicals (Сеул, Корея). Препрег состоял из смолы и углеродного волокна массой 33 мас.% И 67 мас.%, Соответственно, и был однонаправленным. Смола в препреге включала диглицидиловый эфир эпоксидной смолы бисфенола А, смолу на основе сложного цианатного эфира и сформулированный отвердитель. Углеродное волокно Pyrofil TR50S диаметром 6–8 мкм и плотностью 1.82 г см −1 . Поверхностная масса волокна составляла 300 г / м -3 , а толщина одного препрега составляла 0,288 мм. Неорганические кристаллические наполнители, используемые для улучшения вертикальной теплопроводности углепластика, представляли собой алюминий, магний и медь. Порошки алюминия и магния х.ч. были получены от DUKSAN PHARMACEUTICAL (Ansan, Корея) и DAEJUNG (Siheung, Корея) соответственно. Кроме того, чистый медный порошок был получен от Junsei Chemical (Токио, Япония). Дисперсионный растворитель, используемый для распыления неорганических кристаллических наполнителей путем послойного покрытия, представлял собой этанол особой чистоты, приобретенный в SAMCHUN (Сеул, Корея).

2.2. Послойное покрытие неорганических кристаллов

Неорганические кристаллические наполнители наносили на препрег с помощью воздушного распылителя. Пистолет-распылитель (K-3, BLUEBIRD, Сеул, Корея), используемый для нанесения покрытия на наполнители, был подключен к воздушному компрессору (KAC-25, KEYANG, Сеул, Корея). Неорганические кристаллические наполнители диспергировали в этаноле перед нанесением покрытия из пистолета-распылителя. Концентрация неорганических кристаллических наполнителей, диспергированных в этаноле, составляла 0,1–4 г / 100 мл. Раствор диспергировали в течение 10 мин с помощью цифрового ультразвукового устройства (digital sonifier 250, Branson, St.Луис, Миссури, США) для гомогенизации перед нанесением покрытия. Раствор, диспергированный с помощью цифрового ультразвукового устройства, был непосредственно нанесен распылением на препреги размером 40 мм × 40 мм без какой-либо химической обработки. Препреги, покрытые раствором дисперсии, сушили при 30 ° C в течение 30 мин для испарения этанола. Массовая доля неорганических кристаллических наполнителей в композитах рассчитывалась путем взвешивания препрегов до и после нанесения покрытия на кристаллический наполнитель.

2.3. Приготовление композитов из углепластика

Форма и поршень из стали использовались для изготовления композитов из углепластика одинаковой толщины.Размеры формы и поршня составляли 40 мм × 40 мм × 6 мм и 39 мм × 39 мм × 5 мм, соответственно, а полученные композиты из углепластика имели размеры 40 мм × 40 мм × 1 мм. Мы уложили полиимидные (PI) пленки сверху и снизу препрегов, чтобы препреги не прилипали к форме и поршню после того, как они были изготовлены при высоких температурах и давлениях. В качестве первого шага на пластину из стали уложили пленку ПИ, а форму поместили на пленку ПИ. Затем четыре отрезанных по размеру препрега укладывали стопкой в ​​одном направлении.На втором этапе поршень помещали на пленку PI поверх сложенных друг на друга препрегов и прижимали препреги к высоте формы. На заключительном этапе композиты из углепластика были приготовлены путем прессования препрегов при 200 ° C и давлении 5 бар в течение 2 часов с использованием горячего пресса (M, CARVER, Wabash, IN, USA). Композиты из углепластика, покрытые неорганическими кристаллическими наполнителями, были приготовлены таким же образом, только верхний препрег был приготовлен без какого-либо наполнителя.

2.4. Характеристика

Структуру частиц неорганических кристаллических наполнителей определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SU-70, HITACHI, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.Неорганические кристаллические наполнители были покрыты платиной и исследованы с помощью SEM. Кроме того, неорганический кристаллический наполнитель, нанесенный на поверхность препрега, оценивали на его агрегационные свойства с помощью оптической микроскопии (OM, BX51, Olympus, Tokyo, Japan). Вертикальная теплопроводность композитов из углепластика измерялась при 25 ° C с использованием термометров (UT321, UNI-T, Дунгуань, Китай), а в качестве источника тепла использовались горячие пластины (MSH-20D, DAIHAN Scientific, Вонджу, Корея). Термопары (k-типа, Дунгуань, Китай) использовались для измерения изменения температуры поверхности композитов из углепластика.Образец (40 мм × 40 мм × 1 мм) помещали на горячую плиту при температуре 150 ° C, и изменение температуры верхней части образца регистрировали с помощью программного обеспечения UT320 (v1.0, UNI-T, Dongguan , Китай). Теплоизоляция использовалась для изоляции сторон образца для предотвращения потери тепла. Вертикальная теплопроводность была рассчитана с использованием закона теплопроводности Фурье с использованием уравнения Q = −kA dT / dL, где Q — тепловой поток горячей пластины, 11,408 Вт · м −1 , k — теплопроводность в вертикальном направлении. направление, а A — площадь образца.Здесь dT относится к разности температур образца в вертикальном направлении, полученной с использованием T 1 = 150 ° C и T 2 (получено экспериментально), а dL относится к толщине образца, измеренной с помощью нониуса. каверномер. Размер образца для испытания на прочность на изгиб составлял 40 мм × 4 мм × 1 мм. Прочность на изгиб измеряли с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D790–03 [32] на универсальной испытательной машине (UTM, LD 5K, LLOYD, Bognor Regis, UK).

3.Результаты

схематически показывает приготовление композитов из углепластика с высокой теплопроводностью с использованием послойного включения трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Эпоксидно-полимерная матрица композитов из углепластика задерживает теплопередачу из-за ее низкой теплопроводности. Таким образом, послойный контакт с использованием неорганических кристаллических наполнителей с высокой теплопроводностью облегчил пути теплопередачи к эпоксидной смоле, которые составляли зону задержки теплопередачи. Три типа неорганических кристаллических наполнителей взаимодействуют с полимерной матрицей с различными поверхностями теплообмена в зависимости от размера и структуры частиц [33,34,35].

Принципиальная схема получения композитов из высокотеплопроводного армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с неорганическими кристаллическими наполнителями с использованием послойного покрытия.

3.1. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-изображения трех типов неорганических кристаллических наполнителей показаны на рис. Наполнители имели разные размеры и структуру. Алюминий и магний показали неоднородную трехмерную сферическую структуру. В отличие от этих двух наполнителей медь имела плоскую пластинчатую двумерную структуру.Частицы алюминия имели средний диаметр 70 мкм, что было наименьшим среди наполнителей, рассмотренных в данной работе. Средний диаметр самого крупного наполнителя, частицы магния, составлял 200 мкм. Средний диаметр частиц меди 90 мкм.

СЭМ-изображения трех неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминия; ( b ) магний; ( c ) медь.

3.2. Оптическая микроскопия (ОМ) Анализ

изображений ОМ были получены для определения агрегационного поведения неорганического кристаллического наполнителя в зависимости от его содержания.представлены оптические и фотографические изображения чистого углепластика и углепластика с алюминиевым наполнителем. По сравнению с чистым препрегом из углепластика препрег с алюминиевым покрытием с высоким содержанием 0,4 мас.% Алюминия показал большую агрегацию наполнителей в отличие от препрега с покрытием с низким содержанием 0,01 мас.%, Как показано на а. Кроме того, агрегация наполнителя, которая происходила по мере увеличения содержания, ухудшала взаимодействие с полимерной матрицей и вызывала межслойный воздушный зазор в композите, что подтверждается в b, где показан вертикальный вид композитов из углепластика.Этот воздушный зазор препятствовал вертикальному тепловому потоку через канал теплопередачи, образованный наполнителем, и снижал скорость увеличения теплопроводности.

( a ) Изображения препрегов из углепластика: чистого препрега и препрегов, покрытых алюминием, с помощью оптической микроскопии; ( b ) Вертикальный вид композитов из углепластика с алюминиевым покрытием.

3.3. Анализ вертикальной теплопроводности

показывает изменение теплопроводности по толщине k (Вт · м -1 K -1 ) в зависимости от содержания трех типов неорганических кристаллических наполнителей.Здесь чистый углепластик относится к композиту углепластика той же спецификации, что и образец без каких-либо наполнителей. Измеренная вертикальная теплопроводность чистого углепластика составила 0,912 Вт · м -1 K -1 . Для композитов из углепластика, покрытых неорганическими кристаллическими наполнителями, теплопроводность измеряли, когда содержание наполнителя составляло 0,01, 0,1, 0,2, 0,4 мас.% По сравнению с композитами из углепластика. Включение алюминиевого наполнителя увеличивало вертикальную теплопроводность с увеличением содержания и показало самую высокую теплопроводность, равную 1.462 Вт · м -1 K -1 при 0,1 мас.%, Что продемонстрировало улучшение на 60% по сравнению с чистым углепластиком. При превышении 0,1 мас.%, Что привело к наивысшей теплопроводности, повышение теплопроводности уменьшилось, но теплопроводность все еще была выше, чем у чистого углепластика. Магниевый наполнитель показал самую высокую теплопроводность 1,710 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 87% при низком содержании 0,01 мас.%. При содержании 0,1 мас.% Магния теплопроводность была такой же, как у алюминия с наибольшей теплопроводностью, кроме того, теплопроводность уменьшалась.Медный наполнитель показал вертикальную теплопроводность 1,650 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 81% при содержании 0,01 мас.%. При его содержании 0,1 мас.% Теплопроводность увеличилась на 1,634 Вт · м −1 K −1 с улучшением на 79%. При 0,2 мас.% Или более увеличение теплопроводности уменьшалось.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, по отношению к массовой доле наполнителя: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает увеличение теплопроводности по всей толщине, полученное с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей и их содержания. Среди них углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал улучшение теплопроводности на 87% при 1,710 Вт · м -1 K -1 и самое высокое улучшение теплопроводности. Кроме того, углепластики, покрытые 0,01 мас.% И 0,1 мас.% Меди, демонстрируют высокое повышение теплопроводности, которое было ниже, чем у углепластиков с покрытием 0.01 мас.% Магния.

Повышение теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

3.4. Анализ механических свойств

показывает прочность на изгиб (МПа) для оценки механических свойств композитов из углепластика. Чистый углепластик показал прочность на изгиб 2861 МПа в испытании на трехточечный изгиб.Алюминиевый наполнитель показал прочность на изгиб 2731 МПа, сравнимую с прочностью чистого углепластика, при содержании 0,01 мас.%, А прочность на изгиб снижалась при содержании 0,1 мас.% Или выше. Прочность на изгиб углепластика, покрытого 0,01 мас.% Магния, который продемонстрировал наибольшее повышение теплопроводности, составляла 2726 МПа. Он был почти эквивалентен чистому углепластику. Более того, магниевый наполнитель проявлял ту же тенденцию, что и алюминий, к снижению прочности на изгиб при содержании 0,1 мас.% Или выше.Покрытые медью углепластики не показали критического ухудшения механических свойств до содержания 0,2 мас.%, Но показали ухудшение механических свойств при содержании 0,4 мас.%.

Прочность на изгиб композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает изменение вертикальной теплопроводности в зависимости от прочности на изгиб. В композитах из углепластика, изготовленных путем послойного покрытия из неорганических кристаллических наполнителей, теплопроводность и прочность на изгиб имеют тенденцию к одновременному увеличению.Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал самую высокую теплопроводность, а также высокую прочность на изгиб.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, в зависимости от прочности на изгиб. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

4. Обсуждение

Поведение вертикальной теплопроводности композитов из углепластика с послойным включением неорганических кристаллов можно рационализировать на основе размера и структуры наполнителей.Наполнители из алюминия и магния имеют аналогичную структуру с неоднородной сферической формой, но частицы магния имеют больший размер. Когда вертикальная теплопроводность композитов из углепластика, покрытых двумя видами наполнителей схожей структуры, но разных размеров, сравнивалась для каждой массовой доли, было обнаружено, что магниевый наполнитель увеличивает теплопроводность в большей степени или аналогично алюминию, как показано на рис. В то время как включение алюминиевого наполнителя увеличило теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 при содержании 0,1 мас.% Включение магниевого наполнителя в углепластик позволило достичь максимального увеличения теплопроводности при низком содержании 0,01 мас.%, Что представляет собой 10-кратное улучшение по сравнению с алюминий. Это могло быть связано с размером частиц наполнителя. Покрытые алюминием углепластики были заделаны мелкими частицами наполнителя, которые могли обеспечить больше путей теплопередачи, чем крупный магниевый наполнитель при том же содержании, когда они гомогенно смешаны с полимерной матрицей.Однако, поскольку мы использовали процесс нанесения покрытия распылением слой за слоем вместо процесса смешивания наполнителя, большой размер магния был более предпочтительным для обеспечения вертикального пути теплопередачи при низком содержании наполнителя. Таким образом, магниевые и медные наполнители увеличили теплопроводность по толщине до 1,710 Вт · м −1 K −1 и 1,650 Вт · м −1 K −1 соответственно при 0,01 мас.%, Что составило 10 раз меньше, чем 0,1 мас.% алюминия, что увеличивает теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 .

Кроме того, подтверждена агрегация неорганического кристаллического наполнителя при высоком содержании: это может привести к ухудшению взаимодействия между наполнителем и матрицей и ухудшить вертикальную теплопроводность и механические свойства композитов. Когда сравнивали прочность на изгиб, как показано на фиг.3, композиты с алюминиевым покрытием давали лучшие или сопоставимые результаты с точки зрения тех, которые наблюдались для композитов с магниевым покрытием.Ухудшение механических свойств из-за агломерации наполнителя было вызвано разрушением, поскольку сила была сосредоточена на агрегированной части наполнителя. Следовательно, когда размер агрегации был небольшим, механические свойства были лучше [36]. Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, который достиг наивысшей теплопроводности, показал механические свойства, сопоставимые с чистым углепластиком, из-за низкой агрегации при низком содержании. Таким образом, эффективное увеличение теплопроводности при очень низком содержании, например, магния и медных наполнителей, является очень полезным.

Медный наполнитель представляет собой неорганическую кристаллическую частицу с пластинчатой ​​структурой. Он показал более высокое повышение теплопроводности и прочность на изгиб по сравнению с другими наполнителями при содержании 0,1 мас.% Или более. Это связано с тем, что медный наполнитель имеет меньшую площадь поверхности, чем алюминий или магний, и менее склонен к агломерации, и даже если агломерация происходит, агломерированный размер меньше, чем у магния. Однако с точки зрения свойств теплопроводности и стоимости наиболее важным фактором является улучшение вертикальной теплопроводности за счет низкой массовой доли неорганического кристаллического наполнителя.Таким образом, магниевый наполнитель, показавший наивысшее повышение теплопроводности и высокие механические свойства при низком содержании 0,01 мас.%, Считался наиболее подходящим наполнителем для улучшения вертикальной теплопроводности композита углепластика с использованием послойного покрытия. процесс. представлена ​​корреляция между повышенной вертикальной теплопроводностью и механическими свойствами. Этот результат показал, что прочность на изгиб также увеличивалась с увеличением теплопроводности.Экспериментальные данные также подтвердили, что низкое содержание наполнителя с меньшей степенью агрегации является важным фактором для поддержания механической прочности чистого углепластика. Наконец, углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магния, обозначенный красными квадратами, показал самое высокое улучшение вертикальной теплопроводности при сохранении механической прочности по сравнению с характеристиками других наполнителей.

5. Выводы

В этой работе мы изготовили теплопроводящие композиты из углепластика с превосходной вертикальной теплопроводностью и механической прочностью, используя послойное покрытие из неорганических кристаллических наполнителей.Алюминий, магний и медь — частицы разных размеров и структур — использовались в качестве неорганических кристаллических наполнителей. Эти наполнители улучшили вертикальную теплопроводность чистого углепластика до 87%. В частности, магниевый наполнитель привел к наибольшему увеличению теплопроводности по всей толщине при очень низком содержании 0,01 мас.%, А также привел к превосходным механическим свойствам, сопоставимым со свойствами чистого углепластика. Он мог эффективно обеспечивать вертикальные пути теплопередачи, поскольку диаметр частиц наполнителя был больше, чем у алюминиевых и медных наполнителей.Кроме того, поскольку он имеет сферическую форму, вертикальная теплопроводность может быть улучшена в большей степени, даже при меньшем уровне, чем у пластинчатого медного наполнителя. На основе этих результатов было подтверждено, что форма и размер неорганического кристаллического наполнителя являются важными факторами, которые следует учитывать при попытках улучшить вертикальную теплопроводность при сохранении механических свойств композита углепластика за счет послойного включения неорганических кристаллов. . Эта работа также послужила основой для расширения области применения углепластика, предложив эффективный путь, который одновременно обеспечивает достижение их механических свойств и вертикальной теплопроводности за счет использования очень малых количеств неорганических кристаллических наполнителей.

Вклад авторов

E.L., H.L. и J.H.L. концептуализировал явление. М.-Г.К. и J.W.H. разработал проект. E.L., C.H.C. и S.H.H. провели эксперименты. Все авторы написали рукопись и проанализировали данные. Х.Л. и Дж.Х.Л. курировал весь проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Международной программой совместных исследований и разработок, финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея). Эта работа также была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No.NRF-2018R1A5A1024127).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирующие организации не играли никакой роли в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи и в решении опубликовать результаты.

Ссылки

1. Barros J.A.O., Fortes A.S. Усиление бетонных балок на изгиб с помощью ламината углепластика, вклеенного в прорези. Джем. Concr. Compos. 2005. 27: 471–480. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.07.004. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Янагимото Дж., Икеучи К. Процесс формирования листа из армированного углеродным волокном пластика для легких деталей. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2012; 61: 247–250. DOI: 10.1016 / j.cirp.2012.03.129. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Бергер Д., Брабандт Д., Бакир К., Хорнунг Т., Ланца Г., Сумма Дж., Шварц М., Херрманн Х. Г., Поль М., Стоммель М. Влияние дефектов при серийном производстве легких компонентов гибридного углепластика — Выявление и оценка критических характеристик качества.Измерение. 2017; 95: 389–394. DOI: 10.1016 / j.measurement.2016.10.003. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Джессен Н.К., Норгаард-Нильсен Х.У., Шролл Дж. Легкие конструкции из углепластика для очень больших телескопов. Compos. Struc. 2008. 82: 310–316. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2007.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ли К.К. Структура, электрохимические и противоизносно-коррозионные свойства никель-фосфорного осаждения на композитах из углепластика. Матер. Chem. Phys. 2009. 114: 125–133. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2008.08.088. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чжан Ю.Л., Ян З.В., Чжан Дж.Й., Тао С.Дж. Характеристики низкоскоростного ударного повреждения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), с помощью инфракрасной термографии. Инфракрасный физ. Technol. 2016; 76: 91–102. DOI: 10.1016 / j.infrared.2016.09.014. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Дер А., Калуза А., Курле Д., Херрманн К., Кара С., Варлей Р. Инженерия жизненного цикла углеродных волокон для легких конструкций. Процедуры CIRP. 2018; 69: 43–48. DOI: 10.1016 / j.procir.2017.11.007.[CrossRef] [Google Scholar] 8. Счелси Л., Боннер М., Ходзич А., Сутис К., Скайф Р., Риджуэй К. Потенциальная экономия выбросов легких композитных компонентов самолета, оцененная посредством оценки жизненного цикла. Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 209–217. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.20. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Hufenbach W., Dobrzanski L.A., Gude M., Konieczny J., Czulak A.J. Оптимизация заклепочных соединений композитного материала углепластика и алюминиевого сплава. Ачиев. Матер. Manuf. Англ. 2007. 20: 119–122.[Google Scholar] 10. Давим Дж. П., Рейс П. Передовые композитные материалы будущего в аэрокосмической промышленности. Compos. Struc. 2003. 59: 481–487. DOI: 10.1016 / S0263-8223 (02) 00257-X. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мразова М. Перспективные композитные материалы будущего в авиакосмической промышленности. Бюллетень INCAS. 2013; 5: 139–150. DOI: 10.13111 / 2066-8201.2013.5.3.14. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Танигучи Н., Нишиваки Т., Кавада Х. Прочность на разрыв однонаправленного ламината из углепластика при высокой скорости деформации. Adv. Compos.Матер. 2007. 16: 167–180. DOI: 10.1163 / 156855107780918937. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J. Повышение теплопроводности полимерных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном, путем покрытия высокоориентированных графитовых пленок. Матер. Des. 2015; 88: 1063–1070. DOI: 10.1016 / j.matdes.2015.09.096. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J., Yang W. Тепловые и механические свойства композитов из углеродного волокна с полимерной матрицей с трехмерной теплопроводностью. Compos.Struc. 2016; 149: 213–219. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.04.010. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван З., Ци Р., Ван Дж., Ци С. Улучшение теплопроводности эпоксидного композита, наполненного расширенным графитом. Ceram. Int. 2015; 41: 13541–13546. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2015.07.148. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжоу Ю., Яо Ю., Чен С. Ю., Мун К., Ван Х., Вонг К. Использование наполнителей из модифицированного полиимидом нитрида алюминия в композитах AlN @ PI / Epoxy с повышенной теплопроводностью для герметизации электроники.Sci. Отчет 2014; 4: 1–6. DOI: 10,1038 / srep04779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цуй В., Ду Ф., Чжао Дж., Чжан В., Ян Ю., Се X., Май Ю.В. Повышение теплопроводности при сохранении высокого удельного электрического сопротивления эпоксидных композитов за счет включения многослойных углеродных нанотрубок с покрытием из диоксида кремния. Углерод. 2011; 49: 495–500. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.09.047. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Мамуня Ю.П., Давыденко В.В., Писсис П., Лебедев Е.В. Электропроводность и теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками.Евро. Polym. J. 2002; 38: 1887–1897. DOI: 10.1016 / S0014-3057 (02) 00064-2. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Пак С.Ю., Ким Х.М., Ким С.Ю., Юн Дж.Р. Синергетическое улучшение теплопроводности термопластичных композитов со смешанным нитридом бора и наполнителями из многослойных углеродных нанотрубок. Углерод. 2012; 50: 4830–4838. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.06.009. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Се С.Ю., Чунг С.Л. Эпоксидная формовочная масса с высокой теплопроводностью, наполненная порошком AlN, синтезированным методом горения. Дж.Прил. Polym. Sci. 2006. 102: 4734–4740. DOI: 10.1002 / приложение.25000. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ваттанакул К., Мануспизи Х., Янумет Н. Теплопроводность и механические свойства эпоксидного композита с BN-наполнителем: влияние содержания наполнителя, условий смешивания и размера агломерата BN. J. Compos. Матер. 2010; 45: 1967–1980. DOI: 10.1177 / 0021998310393297. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Ван З., Лизука Т., Козако М., Оки Ю., Танака Т. Разработка композитов на основе эпоксидной смолы и BN с высокой теплопроводностью и достаточной диэлектрической прочностью на пробой. Часть I. Подготовка образцов и теплопроводность.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 2011; 18: 1963–1972. DOI: 10.1109 / TDEI.2011.6118634. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Гангули С., Рой А.К., Андерсон Д.П. Улучшенная теплопроводность для химически функционализированных композитов из вспученного графита и эпоксидной смолы. Углерод. 2008. 46: 806–817. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.02.008. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Никкеши С., Кудо М., Масуко Т. Динамические вязкоупругие свойства и термические свойства композитов порошок Ni – эпоксидная смола. J. Appl. Polym. Sci. 1996; 69: 2593–2598.DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4628 (19980926) 69:13 <2593 :: AID-APP9> 3.0.CO; 2-5. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Но Й.Дж., Ким С.Й. Синергетическое улучшение теплопроводности в полимерных композитах, наполненных углеродным волокном на основе пека и нанопластинами графена. Polym. Тестовое задание. 2015; 45: 132–138. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2015.06.003. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мойсала А., Ки К., Кинлох И.А., Виндл А.Х. Тепловая и электрическая проводимость однослойных и многослойных углеродных нанотрубок-эпоксидных композитов.Compos. Sci. Technol. 2006; 66: 1285–1288. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2005.10.016. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ян К., Гу М. Повышенная теплопроводность эпоксидных нанокомпозитов, наполненных гибридной системой наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных триэтилентетрамином, и наноразмерного карбида кремния, модифицированного силаном. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2010. 41: 215–221. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2009.10.019. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Юнг К.С., Лием Х. Повышенная теплопроводность эпоксидно-матричного композита из нитрида бора за счет мультимодального смешивания размеров частиц.J. Appl. Polym. Sci. 2007; 106: 3587–3591. DOI: 10.1002 / app.27027. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Карадонна А., Бадини К., Падовано Э., Пьетролуонго М. Электрическая и теплопроводность композитов эпоксидно-углеродный наполнитель, обработанных каландрированием. Материалы. 2019; 12: 1522. DOI: 10.3390 / ma12091522. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Хан С., Лин Дж. Т., Ямада Ю., Чунг Д. Д. Л. Повышение теплопроводности и модуля сжатия композитов углеродного волокна полимер-матрица в направлении сквозной толщины путем наноструктурирования межслойной границы раздела с углеродной сажей.Углерод. 2008; 46: 1060–1071. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ли Ю., Чжан Х., Лю Ю., Ван Х., Хуанг З., Пейджс Т., Билотти Э. Синергетические эффекты гибридных углеродных наночастиц с напылением для повышения электрической и тепловой поверхностной проводимости ламинатов из углепластика. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2018; 105: 9–18. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2017.10.032. [CrossRef] [Google Scholar] 32. ASTM D790–03 – Стандартные методы испытаний свойств изгиба неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.ASTM International; Вест Коншохокен, Пенсильвания, США: 2003. [Google Scholar] 33. Ким Х., Парк С., Хинсберг В.Д. Наноструктуры на основе блок-сополимеров: материалы, процессы и приложения в электронике. Chem. Ред. 2010; 110: 146–177. DOI: 10.1021 / cr9v. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ли З., Ван Л., Фэн Ю., Фэн В. Функциональные наноматериалы на основе углерода: получение, свойства и применение. Compos. Sci. Technol. 2019; 179: 10–40. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2019.04.028. [CrossRef] [Google Scholar] 35.Kandare E., Khatibi A.A., Yoo S., Wang R., Ma J., Olivier P., Gleises N., Wang C.H. Улучшение теплопроводности и электропроводности по всей толщине слоистых материалов из углеродного волокна / эпоксидной смолы за счет использования синергии между нановключениями графена и серебра. Композиты: Часть A. 2015; 69: 72–82. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2014.10.024. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжан С., Цао X.Y., Ма Ю.М., Кэ Ю.С., Чжан Дж.К., Ван Ф.С. Влияние размера и содержания частиц на теплопроводность и механические свойства композитов Al2O3 / полиэтилен высокой плотности (HDPE).Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 581–590. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.57. [CrossRef] [Google Scholar]

Повышение вертикальной теплопроводности эпоксидных композитов, армированных углеродным волокном, путем послойного контакта неорганических кристаллов

Материалы (Базель). 2019 Октябрь; 12 (19): 3092.

Ынби Ли

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Чи Хён Чо

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Сэ Хун Хван

1 Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Мин-Гын Ким

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Чон Ву Хан

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Ханмин Ли

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Джун Хюп Ли

Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонъин, Кёнги 17058, Корея

1 Кафедра химического машиностроения, Мён gji University, Yongin, Gyeonggi 17058, Korea

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Поступило 4 сентября 2019 г .; Принята в печать 20 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), представляет собой легкий и жесткий композит, применяемый в различных областях, например, в авиации и автомобилестроении. Однако из-за своей низкой теплопроводности он недостаточно рассеивает тепло и, таким образом, накапливает тепловую нагрузку.Здесь мы сообщили о простой и эффективной стратегии улучшения теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика с помощью послойного покрытия из неорганических кристаллов. Они могут обеспечить эффективные пути теплопередачи за счет послойного контакта внутри получаемого композитного материала. Композиты из углепластика с высокой теплопроводностью были приготовлены с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей, состоящих из алюминия, магния и меди на препреге, посредством процесса послойного покрытия.Вертикальная теплопроводность чистого углепластика была увеличена до 87% при использовании магниевого наполнителя с очень низким содержанием 0,01 мас.%. Было также подтверждено, что чем выше было увеличение теплопроводности, тем лучше были механические свойства. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что послойное включение неорганических кристаллов может привести к улучшенной теплопроводности по всей толщине и механическим свойствам композитов, которые могут найти применение в различных областях промышленности.

Ключевые слова: полимер, армированный углеродным волокном, неорганические кристаллы, послойное покрытие, механическая прочность, теплопроводность

1. Введение

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие непрерывные композитные материалы из углеродного волокна, которые показать высокую прочность [1,2,3]. Помимо превосходных механических характеристик [4,5], они обладают потенциалом замены тяжелых металлов из-за их высокой коррозионной стойкости [6]. Следовательно, такие материалы применялись в широком диапазоне областей, от гражданской / военной авиации, космической промышленности до автомобильной промышленности, а также в спорте, где легкие материалы необходимы [7,8,9,10,11, 12].Однако термопластичные смолы с низкой теплопроводностью ограничивают коммерческое использование углепластика в качестве полимерной матрицы для композитов [13,14]. Композиты с низкой теплопроводностью не рассеивают тепло быстро, а накапливают тепло, что вызывает ухудшение механических свойств из-за отслаивания между углеродным волокном и полимерной матрицей композита. Теплопроводность зависит от направления углеродного волокна. В непрерывном композитном материале из углеродного волокна, поскольку углеродные волокна выровнены в направлении в плоскости, вертикальная теплопроводность намного ниже, чем в направлении в плоскости.Следовательно, очень важно улучшить теплопроводность композита по всей толщине без ухудшения его механических характеристик.

Для улучшения теплопроводности композита необходимо улучшить внутреннюю теплопередачу полимерной матрицы, которая имеет более низкую теплопроводность и легче модифицируется, чем углеродное волокно. Одним из методов улучшения теплопроводности полимерной матрицы является использование наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как графит и нитрид бора [15,16,17,18,19,20], при этом такие наполнители механически диспергированы в полимерной матрице. с помощью смесителя или трехвалковой мельницы [21,22,23,24,25,26,27,28,29].Однако в случае углепластика этот метод трудно применить, поскольку углеродное волокно пропитано полимерной матрицей. В случае углепластика наполнители могут быть нанесены на ткани из углеродного волокна с использованием ванны или процесса нанесения покрытия прямым распылением перед производством композита [30,31]. Наполнители в композите CFRP улучшают теплопроводность, обеспечивая короткие пути теплопередачи. Однако обеспечение оптимального содержания наполнителя важно для эффективного обеспечения путей теплопередачи с использованием наполнителей.Если содержание наполнителя слишком низкое, могут возникнуть трудности с формированием путей теплопередачи. Напротив, если содержание слишком велико, наполнитель может агрегироваться, что ухудшает взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей, что приводит к ухудшению теплопроводности и механических свойств. Также важно проанализировать, как интерфейс теплопередачи из-за взаимодействия с полимерной матрицей зависит от размера и структуры наполнителя. Сильное взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей может снизить межфазное сопротивление между ними, тем самым эффективно передавая тепло.

В этой работе мы представили простую и эффективную стратегию изготовления композитов из углепластика с высокой теплопроводностью, которые одновременно обеспечивают превосходную вертикальную теплопроводность и механическую прочность за счет послойного включения неорганических кристаллов. Три различных типа неорганических кристаллических наполнителей, включающих алюминий, магний и медь, были использованы для исследования зависимости увеличения вертикальной теплопроводности от структуры неорганических наполнителей.Углепластик, содержащий неорганические кристаллические наполнители, был получен с помощью простого процесса нанесения покрытия слой за слоем. Неорганические кристаллические наполнители были нанесены на поверхность множества препрегов послойным нанесением напылением, чтобы привести к послойному контакту наполнителей внутри композитов. Таким образом, наполнители с высокой теплопроводностью обеспечивали путь для передачи тепла внутри углепластика с низкой теплопроводностью через послойный контакт, так что композит мог эффективно рассеивать тепло, не накапливая его.Мы проанализировали микроскопическую поверхность, размер и структуру неорганических кристаллических наполнителей с помощью изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и измерили вертикальную теплопроводность и прочность на изгиб углепластика, покрытого неорганическими наполнителями. Теплопроводность и механические свойства углепластика, покрытого тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, сравнивались с характеристиками чистого углепластика, и обсуждались вариации поведения теплопроводности и механических свойств углепластика в зависимости от размера и структуры наполнителей.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Препреги

CFRP (USN 300BP), состоящие из непрерывных углеродных волокон, были получены от SK Chemicals (Сеул, Корея). Препрег состоял из смолы и углеродного волокна массой 33 мас.% И 67 мас.%, Соответственно, и был однонаправленным. Смола в препреге включала диглицидиловый эфир эпоксидной смолы бисфенола А, смолу на основе сложного цианатного эфира и сформулированный отвердитель. Углеродное волокно Pyrofil TR50S диаметром 6–8 мкм и плотностью 1.82 г см −1 . Поверхностная масса волокна составляла 300 г / м -3 , а толщина одного препрега составляла 0,288 мм. Неорганические кристаллические наполнители, используемые для улучшения вертикальной теплопроводности углепластика, представляли собой алюминий, магний и медь. Порошки алюминия и магния х.ч. были получены от DUKSAN PHARMACEUTICAL (Ansan, Корея) и DAEJUNG (Siheung, Корея) соответственно. Кроме того, чистый медный порошок был получен от Junsei Chemical (Токио, Япония). Дисперсионный растворитель, используемый для распыления неорганических кристаллических наполнителей путем послойного покрытия, представлял собой этанол особой чистоты, приобретенный в SAMCHUN (Сеул, Корея).

2.2. Послойное покрытие неорганических кристаллов

Неорганические кристаллические наполнители наносили на препрег с помощью воздушного распылителя. Пистолет-распылитель (K-3, BLUEBIRD, Сеул, Корея), используемый для нанесения покрытия на наполнители, был подключен к воздушному компрессору (KAC-25, KEYANG, Сеул, Корея). Неорганические кристаллические наполнители диспергировали в этаноле перед нанесением покрытия из пистолета-распылителя. Концентрация неорганических кристаллических наполнителей, диспергированных в этаноле, составляла 0,1–4 г / 100 мл. Раствор диспергировали в течение 10 мин с помощью цифрового ультразвукового устройства (digital sonifier 250, Branson, St.Луис, Миссури, США) для гомогенизации перед нанесением покрытия. Раствор, диспергированный с помощью цифрового ультразвукового устройства, был непосредственно нанесен распылением на препреги размером 40 мм × 40 мм без какой-либо химической обработки. Препреги, покрытые раствором дисперсии, сушили при 30 ° C в течение 30 мин для испарения этанола. Массовая доля неорганических кристаллических наполнителей в композитах рассчитывалась путем взвешивания препрегов до и после нанесения покрытия на кристаллический наполнитель.

2.3. Приготовление композитов из углепластика

Форма и поршень из стали использовались для изготовления композитов из углепластика одинаковой толщины.Размеры формы и поршня составляли 40 мм × 40 мм × 6 мм и 39 мм × 39 мм × 5 мм, соответственно, а полученные композиты из углепластика имели размеры 40 мм × 40 мм × 1 мм. Мы уложили полиимидные (PI) пленки сверху и снизу препрегов, чтобы препреги не прилипали к форме и поршню после того, как они были изготовлены при высоких температурах и давлениях. В качестве первого шага на пластину из стали уложили пленку ПИ, а форму поместили на пленку ПИ. Затем четыре отрезанных по размеру препрега укладывали стопкой в ​​одном направлении.На втором этапе поршень помещали на пленку PI поверх сложенных друг на друга препрегов и прижимали препреги к высоте формы. На заключительном этапе композиты из углепластика были приготовлены путем прессования препрегов при 200 ° C и давлении 5 бар в течение 2 часов с использованием горячего пресса (M, CARVER, Wabash, IN, USA). Композиты из углепластика, покрытые неорганическими кристаллическими наполнителями, были приготовлены таким же образом, только верхний препрег был приготовлен без какого-либо наполнителя.

2.4. Характеристика

Структуру частиц неорганических кристаллических наполнителей определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SU-70, HITACHI, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.Неорганические кристаллические наполнители были покрыты платиной и исследованы с помощью SEM. Кроме того, неорганический кристаллический наполнитель, нанесенный на поверхность препрега, оценивали на его агрегационные свойства с помощью оптической микроскопии (OM, BX51, Olympus, Tokyo, Japan). Вертикальная теплопроводность композитов из углепластика измерялась при 25 ° C с использованием термометров (UT321, UNI-T, Дунгуань, Китай), а в качестве источника тепла использовались горячие пластины (MSH-20D, DAIHAN Scientific, Вонджу, Корея). Термопары (k-типа, Дунгуань, Китай) использовались для измерения изменения температуры поверхности композитов из углепластика.Образец (40 мм × 40 мм × 1 мм) помещали на горячую плиту при температуре 150 ° C, и изменение температуры верхней части образца регистрировали с помощью программного обеспечения UT320 (v1.0, UNI-T, Dongguan , Китай). Теплоизоляция использовалась для изоляции сторон образца для предотвращения потери тепла. Вертикальная теплопроводность была рассчитана с использованием закона теплопроводности Фурье с использованием уравнения Q = −kA dT / dL, где Q — тепловой поток горячей пластины, 11,408 Вт · м −1 , k — теплопроводность в вертикальном направлении. направление, а A — площадь образца.Здесь dT относится к разности температур образца в вертикальном направлении, полученной с использованием T 1 = 150 ° C и T 2 (получено экспериментально), а dL относится к толщине образца, измеренной с помощью нониуса. каверномер. Размер образца для испытания на прочность на изгиб составлял 40 мм × 4 мм × 1 мм. Прочность на изгиб измеряли с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D790–03 [32] на универсальной испытательной машине (UTM, LD 5K, LLOYD, Bognor Regis, UK).

3.Результаты

схематически показывает приготовление композитов из углепластика с высокой теплопроводностью с использованием послойного включения трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Эпоксидно-полимерная матрица композитов из углепластика задерживает теплопередачу из-за ее низкой теплопроводности. Таким образом, послойный контакт с использованием неорганических кристаллических наполнителей с высокой теплопроводностью облегчил пути теплопередачи к эпоксидной смоле, которые составляли зону задержки теплопередачи. Три типа неорганических кристаллических наполнителей взаимодействуют с полимерной матрицей с различными поверхностями теплообмена в зависимости от размера и структуры частиц [33,34,35].

Принципиальная схема получения композитов из высокотеплопроводного армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с неорганическими кристаллическими наполнителями с использованием послойного покрытия.

3.1. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-изображения трех типов неорганических кристаллических наполнителей показаны на рис. Наполнители имели разные размеры и структуру. Алюминий и магний показали неоднородную трехмерную сферическую структуру. В отличие от этих двух наполнителей медь имела плоскую пластинчатую двумерную структуру.Частицы алюминия имели средний диаметр 70 мкм, что было наименьшим среди наполнителей, рассмотренных в данной работе. Средний диаметр самого крупного наполнителя, частицы магния, составлял 200 мкм. Средний диаметр частиц меди 90 мкм.

СЭМ-изображения трех неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминия; ( b ) магний; ( c ) медь.

3.2. Оптическая микроскопия (ОМ) Анализ

изображений ОМ были получены для определения агрегационного поведения неорганического кристаллического наполнителя в зависимости от его содержания.представлены оптические и фотографические изображения чистого углепластика и углепластика с алюминиевым наполнителем. По сравнению с чистым препрегом из углепластика препрег с алюминиевым покрытием с высоким содержанием 0,4 мас.% Алюминия показал большую агрегацию наполнителей в отличие от препрега с покрытием с низким содержанием 0,01 мас.%, Как показано на а. Кроме того, агрегация наполнителя, которая происходила по мере увеличения содержания, ухудшала взаимодействие с полимерной матрицей и вызывала межслойный воздушный зазор в композите, что подтверждается в b, где показан вертикальный вид композитов из углепластика.Этот воздушный зазор препятствовал вертикальному тепловому потоку через канал теплопередачи, образованный наполнителем, и снижал скорость увеличения теплопроводности.

( a ) Изображения препрегов из углепластика: чистого препрега и препрегов, покрытых алюминием, с помощью оптической микроскопии; ( b ) Вертикальный вид композитов из углепластика с алюминиевым покрытием.

3.3. Анализ вертикальной теплопроводности

показывает изменение теплопроводности по толщине k (Вт · м -1 K -1 ) в зависимости от содержания трех типов неорганических кристаллических наполнителей.Здесь чистый углепластик относится к композиту углепластика той же спецификации, что и образец без каких-либо наполнителей. Измеренная вертикальная теплопроводность чистого углепластика составила 0,912 Вт · м -1 K -1 . Для композитов из углепластика, покрытых неорганическими кристаллическими наполнителями, теплопроводность измеряли, когда содержание наполнителя составляло 0,01, 0,1, 0,2, 0,4 мас.% По сравнению с композитами из углепластика. Включение алюминиевого наполнителя увеличивало вертикальную теплопроводность с увеличением содержания и показало самую высокую теплопроводность, равную 1.462 Вт · м -1 K -1 при 0,1 мас.%, Что продемонстрировало улучшение на 60% по сравнению с чистым углепластиком. При превышении 0,1 мас.%, Что привело к наивысшей теплопроводности, повышение теплопроводности уменьшилось, но теплопроводность все еще была выше, чем у чистого углепластика. Магниевый наполнитель показал самую высокую теплопроводность 1,710 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 87% при низком содержании 0,01 мас.%. При содержании 0,1 мас.% Магния теплопроводность была такой же, как у алюминия с наибольшей теплопроводностью, кроме того, теплопроводность уменьшалась.Медный наполнитель показал вертикальную теплопроводность 1,650 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 81% при содержании 0,01 мас.%. При его содержании 0,1 мас.% Теплопроводность увеличилась на 1,634 Вт · м −1 K −1 с улучшением на 79%. При 0,2 мас.% Или более увеличение теплопроводности уменьшалось.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, по отношению к массовой доле наполнителя: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает увеличение теплопроводности по всей толщине, полученное с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей и их содержания. Среди них углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал улучшение теплопроводности на 87% при 1,710 Вт · м -1 K -1 и самое высокое улучшение теплопроводности. Кроме того, углепластики, покрытые 0,01 мас.% И 0,1 мас.% Меди, демонстрируют высокое повышение теплопроводности, которое было ниже, чем у углепластиков с покрытием 0.01 мас.% Магния.

Повышение теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

3.4. Анализ механических свойств

показывает прочность на изгиб (МПа) для оценки механических свойств композитов из углепластика. Чистый углепластик показал прочность на изгиб 2861 МПа в испытании на трехточечный изгиб.Алюминиевый наполнитель показал прочность на изгиб 2731 МПа, сравнимую с прочностью чистого углепластика, при содержании 0,01 мас.%, А прочность на изгиб снижалась при содержании 0,1 мас.% Или выше. Прочность на изгиб углепластика, покрытого 0,01 мас.% Магния, который продемонстрировал наибольшее повышение теплопроводности, составляла 2726 МПа. Он был почти эквивалентен чистому углепластику. Более того, магниевый наполнитель проявлял ту же тенденцию, что и алюминий, к снижению прочности на изгиб при содержании 0,1 мас.% Или выше.Покрытые медью углепластики не показали критического ухудшения механических свойств до содержания 0,2 мас.%, Но показали ухудшение механических свойств при содержании 0,4 мас.%.

Прочность на изгиб композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает изменение вертикальной теплопроводности в зависимости от прочности на изгиб. В композитах из углепластика, изготовленных путем послойного покрытия из неорганических кристаллических наполнителей, теплопроводность и прочность на изгиб имеют тенденцию к одновременному увеличению.Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал самую высокую теплопроводность, а также высокую прочность на изгиб.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, в зависимости от прочности на изгиб. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

4. Обсуждение

Поведение вертикальной теплопроводности композитов из углепластика с послойным включением неорганических кристаллов можно рационализировать на основе размера и структуры наполнителей.Наполнители из алюминия и магния имеют аналогичную структуру с неоднородной сферической формой, но частицы магния имеют больший размер. Когда вертикальная теплопроводность композитов из углепластика, покрытых двумя видами наполнителей схожей структуры, но разных размеров, сравнивалась для каждой массовой доли, было обнаружено, что магниевый наполнитель увеличивает теплопроводность в большей степени или аналогично алюминию, как показано на рис. В то время как включение алюминиевого наполнителя увеличило теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 при содержании 0,1 мас.% Включение магниевого наполнителя в углепластик позволило достичь максимального увеличения теплопроводности при низком содержании 0,01 мас.%, Что представляет собой 10-кратное улучшение по сравнению с алюминий. Это могло быть связано с размером частиц наполнителя. Покрытые алюминием углепластики были заделаны мелкими частицами наполнителя, которые могли обеспечить больше путей теплопередачи, чем крупный магниевый наполнитель при том же содержании, когда они гомогенно смешаны с полимерной матрицей.Однако, поскольку мы использовали процесс нанесения покрытия распылением слой за слоем вместо процесса смешивания наполнителя, большой размер магния был более предпочтительным для обеспечения вертикального пути теплопередачи при низком содержании наполнителя. Таким образом, магниевые и медные наполнители увеличили теплопроводность по толщине до 1,710 Вт · м −1 K −1 и 1,650 Вт · м −1 K −1 соответственно при 0,01 мас.%, Что составило 10 раз меньше, чем 0,1 мас.% алюминия, что увеличивает теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 .

Кроме того, подтверждена агрегация неорганического кристаллического наполнителя при высоком содержании: это может привести к ухудшению взаимодействия между наполнителем и матрицей и ухудшить вертикальную теплопроводность и механические свойства композитов. Когда сравнивали прочность на изгиб, как показано на фиг.3, композиты с алюминиевым покрытием давали лучшие или сопоставимые результаты с точки зрения тех, которые наблюдались для композитов с магниевым покрытием.Ухудшение механических свойств из-за агломерации наполнителя было вызвано разрушением, поскольку сила была сосредоточена на агрегированной части наполнителя. Следовательно, когда размер агрегации был небольшим, механические свойства были лучше [36]. Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, который достиг наивысшей теплопроводности, показал механические свойства, сопоставимые с чистым углепластиком, из-за низкой агрегации при низком содержании. Таким образом, эффективное увеличение теплопроводности при очень низком содержании, например, магния и медных наполнителей, является очень полезным.

Медный наполнитель представляет собой неорганическую кристаллическую частицу с пластинчатой ​​структурой. Он показал более высокое повышение теплопроводности и прочность на изгиб по сравнению с другими наполнителями при содержании 0,1 мас.% Или более. Это связано с тем, что медный наполнитель имеет меньшую площадь поверхности, чем алюминий или магний, и менее склонен к агломерации, и даже если агломерация происходит, агломерированный размер меньше, чем у магния. Однако с точки зрения свойств теплопроводности и стоимости наиболее важным фактором является улучшение вертикальной теплопроводности за счет низкой массовой доли неорганического кристаллического наполнителя.Таким образом, магниевый наполнитель, показавший наивысшее повышение теплопроводности и высокие механические свойства при низком содержании 0,01 мас.%, Считался наиболее подходящим наполнителем для улучшения вертикальной теплопроводности композита углепластика с использованием послойного покрытия. процесс. представлена ​​корреляция между повышенной вертикальной теплопроводностью и механическими свойствами. Этот результат показал, что прочность на изгиб также увеличивалась с увеличением теплопроводности.Экспериментальные данные также подтвердили, что низкое содержание наполнителя с меньшей степенью агрегации является важным фактором для поддержания механической прочности чистого углепластика. Наконец, углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магния, обозначенный красными квадратами, показал самое высокое улучшение вертикальной теплопроводности при сохранении механической прочности по сравнению с характеристиками других наполнителей.

5. Выводы

В этой работе мы изготовили теплопроводящие композиты из углепластика с превосходной вертикальной теплопроводностью и механической прочностью, используя послойное покрытие из неорганических кристаллических наполнителей.Алюминий, магний и медь — частицы разных размеров и структур — использовались в качестве неорганических кристаллических наполнителей. Эти наполнители улучшили вертикальную теплопроводность чистого углепластика до 87%. В частности, магниевый наполнитель привел к наибольшему увеличению теплопроводности по всей толщине при очень низком содержании 0,01 мас.%, А также привел к превосходным механическим свойствам, сопоставимым со свойствами чистого углепластика. Он мог эффективно обеспечивать вертикальные пути теплопередачи, поскольку диаметр частиц наполнителя был больше, чем у алюминиевых и медных наполнителей.Кроме того, поскольку он имеет сферическую форму, вертикальная теплопроводность может быть улучшена в большей степени, даже при меньшем уровне, чем у пластинчатого медного наполнителя. На основе этих результатов было подтверждено, что форма и размер неорганического кристаллического наполнителя являются важными факторами, которые следует учитывать при попытках улучшить вертикальную теплопроводность при сохранении механических свойств композита углепластика за счет послойного включения неорганических кристаллов. . Эта работа также послужила основой для расширения области применения углепластика, предложив эффективный путь, который одновременно обеспечивает достижение их механических свойств и вертикальной теплопроводности за счет использования очень малых количеств неорганических кристаллических наполнителей.

Вклад авторов

E.L., H.L. и J.H.L. концептуализировал явление. М.-Г.К. и J.W.H. разработал проект. E.L., C.H.C. и S.H.H. провели эксперименты. Все авторы написали рукопись и проанализировали данные. Х.Л. и Дж.Х.Л. курировал весь проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Международной программой совместных исследований и разработок, финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея). Эта работа также была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No.NRF-2018R1A5A1024127).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирующие организации не играли никакой роли в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи и в решении опубликовать результаты.

Ссылки

1. Barros J.A.O., Fortes A.S. Усиление бетонных балок на изгиб с помощью ламината углепластика, вклеенного в прорези. Джем. Concr. Compos. 2005. 27: 471–480. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.07.004. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Янагимото Дж., Икеучи К. Процесс формирования листа из армированного углеродным волокном пластика для легких деталей. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2012; 61: 247–250. DOI: 10.1016 / j.cirp.2012.03.129. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Бергер Д., Брабандт Д., Бакир К., Хорнунг Т., Ланца Г., Сумма Дж., Шварц М., Херрманн Х. Г., Поль М., Стоммель М. Влияние дефектов при серийном производстве легких компонентов гибридного углепластика — Выявление и оценка критических характеристик качества.Измерение. 2017; 95: 389–394. DOI: 10.1016 / j.measurement.2016.10.003. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Джессен Н.К., Норгаард-Нильсен Х.У., Шролл Дж. Легкие конструкции из углепластика для очень больших телескопов. Compos. Struc. 2008. 82: 310–316. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2007.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ли К.К. Структура, электрохимические и противоизносно-коррозионные свойства никель-фосфорного осаждения на композитах из углепластика. Матер. Chem. Phys. 2009. 114: 125–133. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2008.08.088. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чжан Ю.Л., Ян З.В., Чжан Дж.Й., Тао С.Дж. Характеристики низкоскоростного ударного повреждения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), с помощью инфракрасной термографии. Инфракрасный физ. Technol. 2016; 76: 91–102. DOI: 10.1016 / j.infrared.2016.09.014. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Дер А., Калуза А., Курле Д., Херрманн К., Кара С., Варлей Р. Инженерия жизненного цикла углеродных волокон для легких конструкций. Процедуры CIRP. 2018; 69: 43–48. DOI: 10.1016 / j.procir.2017.11.007.[CrossRef] [Google Scholar] 8. Счелси Л., Боннер М., Ходзич А., Сутис К., Скайф Р., Риджуэй К. Потенциальная экономия выбросов легких композитных компонентов самолета, оцененная посредством оценки жизненного цикла. Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 209–217. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.20. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Hufenbach W., Dobrzanski L.A., Gude M., Konieczny J., Czulak A.J. Оптимизация заклепочных соединений композитного материала углепластика и алюминиевого сплава. Ачиев. Матер. Manuf. Англ. 2007. 20: 119–122.[Google Scholar] 10. Давим Дж. П., Рейс П. Передовые композитные материалы будущего в аэрокосмической промышленности. Compos. Struc. 2003. 59: 481–487. DOI: 10.1016 / S0263-8223 (02) 00257-X. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мразова М. Перспективные композитные материалы будущего в авиакосмической промышленности. Бюллетень INCAS. 2013; 5: 139–150. DOI: 10.13111 / 2066-8201.2013.5.3.14. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Танигучи Н., Нишиваки Т., Кавада Х. Прочность на разрыв однонаправленного ламината из углепластика при высокой скорости деформации. Adv. Compos.Матер. 2007. 16: 167–180. DOI: 10.1163 / 156855107780918937. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J. Повышение теплопроводности полимерных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном, путем покрытия высокоориентированных графитовых пленок. Матер. Des. 2015; 88: 1063–1070. DOI: 10.1016 / j.matdes.2015.09.096. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J., Yang W. Тепловые и механические свойства композитов из углеродного волокна с полимерной матрицей с трехмерной теплопроводностью. Compos.Struc. 2016; 149: 213–219. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.04.010. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван З., Ци Р., Ван Дж., Ци С. Улучшение теплопроводности эпоксидного композита, наполненного расширенным графитом. Ceram. Int. 2015; 41: 13541–13546. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2015.07.148. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжоу Ю., Яо Ю., Чен С. Ю., Мун К., Ван Х., Вонг К. Использование наполнителей из модифицированного полиимидом нитрида алюминия в композитах AlN @ PI / Epoxy с повышенной теплопроводностью для герметизации электроники.Sci. Отчет 2014; 4: 1–6. DOI: 10,1038 / srep04779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цуй В., Ду Ф., Чжао Дж., Чжан В., Ян Ю., Се X., Май Ю.В. Повышение теплопроводности при сохранении высокого удельного электрического сопротивления эпоксидных композитов за счет включения многослойных углеродных нанотрубок с покрытием из диоксида кремния. Углерод. 2011; 49: 495–500. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.09.047. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Мамуня Ю.П., Давыденко В.В., Писсис П., Лебедев Е.В. Электропроводность и теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками.Евро. Polym. J. 2002; 38: 1887–1897. DOI: 10.1016 / S0014-3057 (02) 00064-2. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Пак С.Ю., Ким Х.М., Ким С.Ю., Юн Дж.Р. Синергетическое улучшение теплопроводности термопластичных композитов со смешанным нитридом бора и наполнителями из многослойных углеродных нанотрубок. Углерод. 2012; 50: 4830–4838. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.06.009. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Се С.Ю., Чунг С.Л. Эпоксидная формовочная масса с высокой теплопроводностью, наполненная порошком AlN, синтезированным методом горения. Дж.Прил. Polym. Sci. 2006. 102: 4734–4740. DOI: 10.1002 / приложение.25000. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ваттанакул К., Мануспизи Х., Янумет Н. Теплопроводность и механические свойства эпоксидного композита с BN-наполнителем: влияние содержания наполнителя, условий смешивания и размера агломерата BN. J. Compos. Матер. 2010; 45: 1967–1980. DOI: 10.1177 / 0021998310393297. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Ван З., Лизука Т., Козако М., Оки Ю., Танака Т. Разработка композитов на основе эпоксидной смолы и BN с высокой теплопроводностью и достаточной диэлектрической прочностью на пробой. Часть I. Подготовка образцов и теплопроводность.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 2011; 18: 1963–1972. DOI: 10.1109 / TDEI.2011.6118634. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Гангули С., Рой А.К., Андерсон Д.П. Улучшенная теплопроводность для химически функционализированных композитов из вспученного графита и эпоксидной смолы. Углерод. 2008. 46: 806–817. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.02.008. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Никкеши С., Кудо М., Масуко Т. Динамические вязкоупругие свойства и термические свойства композитов порошок Ni – эпоксидная смола. J. Appl. Polym. Sci. 1996; 69: 2593–2598.DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4628 (19980926) 69:13 <2593 :: AID-APP9> 3.0.CO; 2-5. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Но Й.Дж., Ким С.Й. Синергетическое улучшение теплопроводности в полимерных композитах, наполненных углеродным волокном на основе пека и нанопластинами графена. Polym. Тестовое задание. 2015; 45: 132–138. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2015.06.003. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мойсала А., Ки К., Кинлох И.А., Виндл А.Х. Тепловая и электрическая проводимость однослойных и многослойных углеродных нанотрубок-эпоксидных композитов.Compos. Sci. Technol. 2006; 66: 1285–1288. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2005.10.016. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ян К., Гу М. Повышенная теплопроводность эпоксидных нанокомпозитов, наполненных гибридной системой наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных триэтилентетрамином, и наноразмерного карбида кремния, модифицированного силаном. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2010. 41: 215–221. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2009.10.019. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Юнг К.С., Лием Х. Повышенная теплопроводность эпоксидно-матричного композита из нитрида бора за счет мультимодального смешивания размеров частиц.J. Appl. Polym. Sci. 2007; 106: 3587–3591. DOI: 10.1002 / app.27027. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Карадонна А., Бадини К., Падовано Э., Пьетролуонго М. Электрическая и теплопроводность композитов эпоксидно-углеродный наполнитель, обработанных каландрированием. Материалы. 2019; 12: 1522. DOI: 10.3390 / ma12091522. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Хан С., Лин Дж. Т., Ямада Ю., Чунг Д. Д. Л. Повышение теплопроводности и модуля сжатия композитов углеродного волокна полимер-матрица в направлении сквозной толщины путем наноструктурирования межслойной границы раздела с углеродной сажей.Углерод. 2008; 46: 1060–1071. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ли Ю., Чжан Х., Лю Ю., Ван Х., Хуанг З., Пейджс Т., Билотти Э. Синергетические эффекты гибридных углеродных наночастиц с напылением для повышения электрической и тепловой поверхностной проводимости ламинатов из углепластика. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2018; 105: 9–18. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2017.10.032. [CrossRef] [Google Scholar] 32. ASTM D790–03 – Стандартные методы испытаний свойств изгиба неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.ASTM International; Вест Коншохокен, Пенсильвания, США: 2003. [Google Scholar] 33. Ким Х., Парк С., Хинсберг В.Д. Наноструктуры на основе блок-сополимеров: материалы, процессы и приложения в электронике. Chem. Ред. 2010; 110: 146–177. DOI: 10.1021 / cr9v. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ли З., Ван Л., Фэн Ю., Фэн В. Функциональные наноматериалы на основе углерода: получение, свойства и применение. Compos. Sci. Technol. 2019; 179: 10–40. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2019.04.028. [CrossRef] [Google Scholar] 35.Kandare E., Khatibi A.A., Yoo S., Wang R., Ma J., Olivier P., Gleises N., Wang C.H. Улучшение теплопроводности и электропроводности по всей толщине слоистых материалов из углеродного волокна / эпоксидной смолы за счет использования синергии между нановключениями графена и серебра. Композиты: Часть A. 2015; 69: 72–82. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2014.10.024. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжан С., Цао X.Y., Ма Ю.М., Кэ Ю.С., Чжан Дж.К., Ван Ф.С. Влияние размера и содержания частиц на теплопроводность и механические свойства композитов Al2O3 / полиэтилен высокой плотности (HDPE).Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 581–590. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.57. [CrossRef] [Google Scholar]

Повышение вертикальной теплопроводности эпоксидных композитов, армированных углеродным волокном, путем послойного контакта неорганических кристаллов

Материалы (Базель). 2019 Октябрь; 12 (19): 3092.

Ынби Ли

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Чи Хён Чо

1 Кафедра химической инженерии, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Сэ Хун Хван

1 Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонгин, Кёнги 17058, Корея

Мин-Гын Ким

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Чон Ву Хан

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Ханмин Ли

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Джун Хюп Ли

Кафедра химического машиностроения, Университет Мёнджи, Йонъин, Кёнги 17058, Корея

1 Кафедра химического машиностроения, Мён gji University, Yongin, Gyeonggi 17058, Korea

2 Корейский институт машин и материалов, Тэджон 34103, Корея

Поступило 4 сентября 2019 г .; Принята в печать 20 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), представляет собой легкий и жесткий композит, применяемый в различных областях, например, в авиации и автомобилестроении. Однако из-за своей низкой теплопроводности он недостаточно рассеивает тепло и, таким образом, накапливает тепловую нагрузку.Здесь мы сообщили о простой и эффективной стратегии улучшения теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика с помощью послойного покрытия из неорганических кристаллов. Они могут обеспечить эффективные пути теплопередачи за счет послойного контакта внутри получаемого композитного материала. Композиты из углепластика с высокой теплопроводностью были приготовлены с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей, состоящих из алюминия, магния и меди на препреге, посредством процесса послойного покрытия.Вертикальная теплопроводность чистого углепластика была увеличена до 87% при использовании магниевого наполнителя с очень низким содержанием 0,01 мас.%. Было также подтверждено, что чем выше было увеличение теплопроводности, тем лучше были механические свойства. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что послойное включение неорганических кристаллов может привести к улучшенной теплопроводности по всей толщине и механическим свойствам композитов, которые могут найти применение в различных областях промышленности.

Ключевые слова: полимер, армированный углеродным волокном, неорганические кристаллы, послойное покрытие, механическая прочность, теплопроводность

1. Введение

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие непрерывные композитные материалы из углеродного волокна, которые показать высокую прочность [1,2,3]. Помимо превосходных механических характеристик [4,5], они обладают потенциалом замены тяжелых металлов из-за их высокой коррозионной стойкости [6]. Следовательно, такие материалы применялись в широком диапазоне областей, от гражданской / военной авиации, космической промышленности до автомобильной промышленности, а также в спорте, где легкие материалы необходимы [7,8,9,10,11, 12].Однако термопластичные смолы с низкой теплопроводностью ограничивают коммерческое использование углепластика в качестве полимерной матрицы для композитов [13,14]. Композиты с низкой теплопроводностью не рассеивают тепло быстро, а накапливают тепло, что вызывает ухудшение механических свойств из-за отслаивания между углеродным волокном и полимерной матрицей композита. Теплопроводность зависит от направления углеродного волокна. В непрерывном композитном материале из углеродного волокна, поскольку углеродные волокна выровнены в направлении в плоскости, вертикальная теплопроводность намного ниже, чем в направлении в плоскости.Следовательно, очень важно улучшить теплопроводность композита по всей толщине без ухудшения его механических характеристик.

Для улучшения теплопроводности композита необходимо улучшить внутреннюю теплопередачу полимерной матрицы, которая имеет более низкую теплопроводность и легче модифицируется, чем углеродное волокно. Одним из методов улучшения теплопроводности полимерной матрицы является использование наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как графит и нитрид бора [15,16,17,18,19,20], при этом такие наполнители механически диспергированы в полимерной матрице. с помощью смесителя или трехвалковой мельницы [21,22,23,24,25,26,27,28,29].Однако в случае углепластика этот метод трудно применить, поскольку углеродное волокно пропитано полимерной матрицей. В случае углепластика наполнители могут быть нанесены на ткани из углеродного волокна с использованием ванны или процесса нанесения покрытия прямым распылением перед производством композита [30,31]. Наполнители в композите CFRP улучшают теплопроводность, обеспечивая короткие пути теплопередачи. Однако обеспечение оптимального содержания наполнителя важно для эффективного обеспечения путей теплопередачи с использованием наполнителей.Если содержание наполнителя слишком низкое, могут возникнуть трудности с формированием путей теплопередачи. Напротив, если содержание слишком велико, наполнитель может агрегироваться, что ухудшает взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей, что приводит к ухудшению теплопроводности и механических свойств. Также важно проанализировать, как интерфейс теплопередачи из-за взаимодействия с полимерной матрицей зависит от размера и структуры наполнителя. Сильное взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей может снизить межфазное сопротивление между ними, тем самым эффективно передавая тепло.

В этой работе мы представили простую и эффективную стратегию изготовления композитов из углепластика с высокой теплопроводностью, которые одновременно обеспечивают превосходную вертикальную теплопроводность и механическую прочность за счет послойного включения неорганических кристаллов. Три различных типа неорганических кристаллических наполнителей, включающих алюминий, магний и медь, были использованы для исследования зависимости увеличения вертикальной теплопроводности от структуры неорганических наполнителей.Углепластик, содержащий неорганические кристаллические наполнители, был получен с помощью простого процесса нанесения покрытия слой за слоем. Неорганические кристаллические наполнители были нанесены на поверхность множества препрегов послойным нанесением напылением, чтобы привести к послойному контакту наполнителей внутри композитов. Таким образом, наполнители с высокой теплопроводностью обеспечивали путь для передачи тепла внутри углепластика с низкой теплопроводностью через послойный контакт, так что композит мог эффективно рассеивать тепло, не накапливая его.Мы проанализировали микроскопическую поверхность, размер и структуру неорганических кристаллических наполнителей с помощью изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и измерили вертикальную теплопроводность и прочность на изгиб углепластика, покрытого неорганическими наполнителями. Теплопроводность и механические свойства углепластика, покрытого тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, сравнивались с характеристиками чистого углепластика, и обсуждались вариации поведения теплопроводности и механических свойств углепластика в зависимости от размера и структуры наполнителей.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Препреги

CFRP (USN 300BP), состоящие из непрерывных углеродных волокон, были получены от SK Chemicals (Сеул, Корея). Препрег состоял из смолы и углеродного волокна массой 33 мас.% И 67 мас.%, Соответственно, и был однонаправленным. Смола в препреге включала диглицидиловый эфир эпоксидной смолы бисфенола А, смолу на основе сложного цианатного эфира и сформулированный отвердитель. Углеродное волокно Pyrofil TR50S диаметром 6–8 мкм и плотностью 1.82 г см −1 . Поверхностная масса волокна составляла 300 г / м -3 , а толщина одного препрега составляла 0,288 мм. Неорганические кристаллические наполнители, используемые для улучшения вертикальной теплопроводности углепластика, представляли собой алюминий, магний и медь. Порошки алюминия и магния х.ч. были получены от DUKSAN PHARMACEUTICAL (Ansan, Корея) и DAEJUNG (Siheung, Корея) соответственно. Кроме того, чистый медный порошок был получен от Junsei Chemical (Токио, Япония). Дисперсионный растворитель, используемый для распыления неорганических кристаллических наполнителей путем послойного покрытия, представлял собой этанол особой чистоты, приобретенный в SAMCHUN (Сеул, Корея).

2.2. Послойное покрытие неорганических кристаллов

Неорганические кристаллические наполнители наносили на препрег с помощью воздушного распылителя. Пистолет-распылитель (K-3, BLUEBIRD, Сеул, Корея), используемый для нанесения покрытия на наполнители, был подключен к воздушному компрессору (KAC-25, KEYANG, Сеул, Корея). Неорганические кристаллические наполнители диспергировали в этаноле перед нанесением покрытия из пистолета-распылителя. Концентрация неорганических кристаллических наполнителей, диспергированных в этаноле, составляла 0,1–4 г / 100 мл. Раствор диспергировали в течение 10 мин с помощью цифрового ультразвукового устройства (digital sonifier 250, Branson, St.Луис, Миссури, США) для гомогенизации перед нанесением покрытия. Раствор, диспергированный с помощью цифрового ультразвукового устройства, был непосредственно нанесен распылением на препреги размером 40 мм × 40 мм без какой-либо химической обработки. Препреги, покрытые раствором дисперсии, сушили при 30 ° C в течение 30 мин для испарения этанола. Массовая доля неорганических кристаллических наполнителей в композитах рассчитывалась путем взвешивания препрегов до и после нанесения покрытия на кристаллический наполнитель.

2.3. Приготовление композитов из углепластика

Форма и поршень из стали использовались для изготовления композитов из углепластика одинаковой толщины.Размеры формы и поршня составляли 40 мм × 40 мм × 6 мм и 39 мм × 39 мм × 5 мм, соответственно, а полученные композиты из углепластика имели размеры 40 мм × 40 мм × 1 мм. Мы уложили полиимидные (PI) пленки сверху и снизу препрегов, чтобы препреги не прилипали к форме и поршню после того, как они были изготовлены при высоких температурах и давлениях. В качестве первого шага на пластину из стали уложили пленку ПИ, а форму поместили на пленку ПИ. Затем четыре отрезанных по размеру препрега укладывали стопкой в ​​одном направлении.На втором этапе поршень помещали на пленку PI поверх сложенных друг на друга препрегов и прижимали препреги к высоте формы. На заключительном этапе композиты из углепластика были приготовлены путем прессования препрегов при 200 ° C и давлении 5 бар в течение 2 часов с использованием горячего пресса (M, CARVER, Wabash, IN, USA). Композиты из углепластика, покрытые неорганическими кристаллическими наполнителями, были приготовлены таким же образом, только верхний препрег был приготовлен без какого-либо наполнителя.

2.4. Характеристика

Структуру частиц неорганических кристаллических наполнителей определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SU-70, HITACHI, Токио, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ.Неорганические кристаллические наполнители были покрыты платиной и исследованы с помощью SEM. Кроме того, неорганический кристаллический наполнитель, нанесенный на поверхность препрега, оценивали на его агрегационные свойства с помощью оптической микроскопии (OM, BX51, Olympus, Tokyo, Japan). Вертикальная теплопроводность композитов из углепластика измерялась при 25 ° C с использованием термометров (UT321, UNI-T, Дунгуань, Китай), а в качестве источника тепла использовались горячие пластины (MSH-20D, DAIHAN Scientific, Вонджу, Корея). Термопары (k-типа, Дунгуань, Китай) использовались для измерения изменения температуры поверхности композитов из углепластика.Образец (40 мм × 40 мм × 1 мм) помещали на горячую плиту при температуре 150 ° C, и изменение температуры верхней части образца регистрировали с помощью программного обеспечения UT320 (v1.0, UNI-T, Dongguan , Китай). Теплоизоляция использовалась для изоляции сторон образца для предотвращения потери тепла. Вертикальная теплопроводность была рассчитана с использованием закона теплопроводности Фурье с использованием уравнения Q = −kA dT / dL, где Q — тепловой поток горячей пластины, 11,408 Вт · м −1 , k — теплопроводность в вертикальном направлении. направление, а A — площадь образца.Здесь dT относится к разности температур образца в вертикальном направлении, полученной с использованием T 1 = 150 ° C и T 2 (получено экспериментально), а dL относится к толщине образца, измеренной с помощью нониуса. каверномер. Размер образца для испытания на прочность на изгиб составлял 40 мм × 4 мм × 1 мм. Прочность на изгиб измеряли с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D790–03 [32] на универсальной испытательной машине (UTM, LD 5K, LLOYD, Bognor Regis, UK).

3.Результаты

схематически показывает приготовление композитов из углепластика с высокой теплопроводностью с использованием послойного включения трех типов неорганических кристаллических наполнителей. Эпоксидно-полимерная матрица композитов из углепластика задерживает теплопередачу из-за ее низкой теплопроводности. Таким образом, послойный контакт с использованием неорганических кристаллических наполнителей с высокой теплопроводностью облегчил пути теплопередачи к эпоксидной смоле, которые составляли зону задержки теплопередачи. Три типа неорганических кристаллических наполнителей взаимодействуют с полимерной матрицей с различными поверхностями теплообмена в зависимости от размера и структуры частиц [33,34,35].

Принципиальная схема получения композитов из высокотеплопроводного армированного углеродным волокном полимера (CFRP) с неорганическими кристаллическими наполнителями с использованием послойного покрытия.

3.1. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-изображения трех типов неорганических кристаллических наполнителей показаны на рис. Наполнители имели разные размеры и структуру. Алюминий и магний показали неоднородную трехмерную сферическую структуру. В отличие от этих двух наполнителей медь имела плоскую пластинчатую двумерную структуру.Частицы алюминия имели средний диаметр 70 мкм, что было наименьшим среди наполнителей, рассмотренных в данной работе. Средний диаметр самого крупного наполнителя, частицы магния, составлял 200 мкм. Средний диаметр частиц меди 90 мкм.

СЭМ-изображения трех неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминия; ( b ) магний; ( c ) медь.

3.2. Оптическая микроскопия (ОМ) Анализ

изображений ОМ были получены для определения агрегационного поведения неорганического кристаллического наполнителя в зависимости от его содержания.представлены оптические и фотографические изображения чистого углепластика и углепластика с алюминиевым наполнителем. По сравнению с чистым препрегом из углепластика препрег с алюминиевым покрытием с высоким содержанием 0,4 мас.% Алюминия показал большую агрегацию наполнителей в отличие от препрега с покрытием с низким содержанием 0,01 мас.%, Как показано на а. Кроме того, агрегация наполнителя, которая происходила по мере увеличения содержания, ухудшала взаимодействие с полимерной матрицей и вызывала межслойный воздушный зазор в композите, что подтверждается в b, где показан вертикальный вид композитов из углепластика.Этот воздушный зазор препятствовал вертикальному тепловому потоку через канал теплопередачи, образованный наполнителем, и снижал скорость увеличения теплопроводности.

( a ) Изображения препрегов из углепластика: чистого препрега и препрегов, покрытых алюминием, с помощью оптической микроскопии; ( b ) Вертикальный вид композитов из углепластика с алюминиевым покрытием.

3.3. Анализ вертикальной теплопроводности

показывает изменение теплопроводности по толщине k (Вт · м -1 K -1 ) в зависимости от содержания трех типов неорганических кристаллических наполнителей.Здесь чистый углепластик относится к композиту углепластика той же спецификации, что и образец без каких-либо наполнителей. Измеренная вертикальная теплопроводность чистого углепластика составила 0,912 Вт · м -1 K -1 . Для композитов из углепластика, покрытых неорганическими кристаллическими наполнителями, теплопроводность измеряли, когда содержание наполнителя составляло 0,01, 0,1, 0,2, 0,4 мас.% По сравнению с композитами из углепластика. Включение алюминиевого наполнителя увеличивало вертикальную теплопроводность с увеличением содержания и показало самую высокую теплопроводность, равную 1.462 Вт · м -1 K -1 при 0,1 мас.%, Что продемонстрировало улучшение на 60% по сравнению с чистым углепластиком. При превышении 0,1 мас.%, Что привело к наивысшей теплопроводности, повышение теплопроводности уменьшилось, но теплопроводность все еще была выше, чем у чистого углепластика. Магниевый наполнитель показал самую высокую теплопроводность 1,710 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 87% при низком содержании 0,01 мас.%. При содержании 0,1 мас.% Магния теплопроводность была такой же, как у алюминия с наибольшей теплопроводностью, кроме того, теплопроводность уменьшалась.Медный наполнитель показал вертикальную теплопроводность 1,650 Вт · м -1 K -1 , что означает улучшение на 81% при содержании 0,01 мас.%. При его содержании 0,1 мас.% Теплопроводность увеличилась на 1,634 Вт · м −1 K −1 с улучшением на 79%. При 0,2 мас.% Или более увеличение теплопроводности уменьшалось.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, по отношению к массовой доле наполнителя: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает увеличение теплопроводности по всей толщине, полученное с использованием трех типов неорганических кристаллических наполнителей и их содержания. Среди них углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал улучшение теплопроводности на 87% при 1,710 Вт · м -1 K -1 и самое высокое улучшение теплопроводности. Кроме того, углепластики, покрытые 0,01 мас.% И 0,1 мас.% Меди, демонстрируют высокое повышение теплопроводности, которое было ниже, чем у углепластиков с покрытием 0.01 мас.% Магния.

Повышение теплопроводности по всей толщине композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

3.4. Анализ механических свойств

показывает прочность на изгиб (МПа) для оценки механических свойств композитов из углепластика. Чистый углепластик показал прочность на изгиб 2861 МПа в испытании на трехточечный изгиб.Алюминиевый наполнитель показал прочность на изгиб 2731 МПа, сравнимую с прочностью чистого углепластика, при содержании 0,01 мас.%, А прочность на изгиб снижалась при содержании 0,1 мас.% Или выше. Прочность на изгиб углепластика, покрытого 0,01 мас.% Магния, который продемонстрировал наибольшее повышение теплопроводности, составляла 2726 МПа. Он был почти эквивалентен чистому углепластику. Более того, магниевый наполнитель проявлял ту же тенденцию, что и алюминий, к снижению прочности на изгиб при содержании 0,1 мас.% Или выше.Покрытые медью углепластики не показали критического ухудшения механических свойств до содержания 0,2 мас.%, Но показали ухудшение механических свойств при содержании 0,4 мас.%.

Прочность на изгиб композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей: ( a ) алюминий; ( b ) магний; ( c ) медь.

показывает изменение вертикальной теплопроводности в зависимости от прочности на изгиб. В композитах из углепластика, изготовленных путем послойного покрытия из неорганических кристаллических наполнителей, теплопроводность и прочность на изгиб имеют тенденцию к одновременному увеличению.Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, показал самую высокую теплопроводность, а также высокую прочность на изгиб.

Коэффициент теплопроводности композитов из углепластика, покрытых тремя типами неорганических кристаллических наполнителей, в зависимости от прочности на изгиб. Четыре цвета относятся к разным массовым долям наполнителей: красный: 0,01 мас.%; синий: 0,1 мас.%; зеленый: 0,2 мас.%, черный: 0,4 мас.%.

4. Обсуждение

Поведение вертикальной теплопроводности композитов из углепластика с послойным включением неорганических кристаллов можно рационализировать на основе размера и структуры наполнителей.Наполнители из алюминия и магния имеют аналогичную структуру с неоднородной сферической формой, но частицы магния имеют больший размер. Когда вертикальная теплопроводность композитов из углепластика, покрытых двумя видами наполнителей схожей структуры, но разных размеров, сравнивалась для каждой массовой доли, было обнаружено, что магниевый наполнитель увеличивает теплопроводность в большей степени или аналогично алюминию, как показано на рис. В то время как включение алюминиевого наполнителя увеличило теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 при содержании 0,1 мас.% Включение магниевого наполнителя в углепластик позволило достичь максимального увеличения теплопроводности при низком содержании 0,01 мас.%, Что представляет собой 10-кратное улучшение по сравнению с алюминий. Это могло быть связано с размером частиц наполнителя. Покрытые алюминием углепластики были заделаны мелкими частицами наполнителя, которые могли обеспечить больше путей теплопередачи, чем крупный магниевый наполнитель при том же содержании, когда они гомогенно смешаны с полимерной матрицей.Однако, поскольку мы использовали процесс нанесения покрытия распылением слой за слоем вместо процесса смешивания наполнителя, большой размер магния был более предпочтительным для обеспечения вертикального пути теплопередачи при низком содержании наполнителя. Таким образом, магниевые и медные наполнители увеличили теплопроводность по толщине до 1,710 Вт · м −1 K −1 и 1,650 Вт · м −1 K −1 соответственно при 0,01 мас.%, Что составило 10 раз меньше, чем 0,1 мас.% алюминия, что увеличивает теплопроводность до 1.462 Вт · м −1 K −1 .

Кроме того, подтверждена агрегация неорганического кристаллического наполнителя при высоком содержании: это может привести к ухудшению взаимодействия между наполнителем и матрицей и ухудшить вертикальную теплопроводность и механические свойства композитов. Когда сравнивали прочность на изгиб, как показано на фиг.3, композиты с алюминиевым покрытием давали лучшие или сопоставимые результаты с точки зрения тех, которые наблюдались для композитов с магниевым покрытием.Ухудшение механических свойств из-за агломерации наполнителя было вызвано разрушением, поскольку сила была сосредоточена на агрегированной части наполнителя. Следовательно, когда размер агрегации был небольшим, механические свойства были лучше [36]. Углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магниевого наполнителя, который достиг наивысшей теплопроводности, показал механические свойства, сопоставимые с чистым углепластиком, из-за низкой агрегации при низком содержании. Таким образом, эффективное увеличение теплопроводности при очень низком содержании, например, магния и медных наполнителей, является очень полезным.

Медный наполнитель представляет собой неорганическую кристаллическую частицу с пластинчатой ​​структурой. Он показал более высокое повышение теплопроводности и прочность на изгиб по сравнению с другими наполнителями при содержании 0,1 мас.% Или более. Это связано с тем, что медный наполнитель имеет меньшую площадь поверхности, чем алюминий или магний, и менее склонен к агломерации, и даже если агломерация происходит, агломерированный размер меньше, чем у магния. Однако с точки зрения свойств теплопроводности и стоимости наиболее важным фактором является улучшение вертикальной теплопроводности за счет низкой массовой доли неорганического кристаллического наполнителя.Таким образом, магниевый наполнитель, показавший наивысшее повышение теплопроводности и высокие механические свойства при низком содержании 0,01 мас.%, Считался наиболее подходящим наполнителем для улучшения вертикальной теплопроводности композита углепластика с использованием послойного покрытия. процесс. представлена ​​корреляция между повышенной вертикальной теплопроводностью и механическими свойствами. Этот результат показал, что прочность на изгиб также увеличивалась с увеличением теплопроводности.Экспериментальные данные также подтвердили, что низкое содержание наполнителя с меньшей степенью агрегации является важным фактором для поддержания механической прочности чистого углепластика. Наконец, углепластик, покрытый 0,01 мас.% Магния, обозначенный красными квадратами, показал самое высокое улучшение вертикальной теплопроводности при сохранении механической прочности по сравнению с характеристиками других наполнителей.

5. Выводы

В этой работе мы изготовили теплопроводящие композиты из углепластика с превосходной вертикальной теплопроводностью и механической прочностью, используя послойное покрытие из неорганических кристаллических наполнителей.Алюминий, магний и медь — частицы разных размеров и структур — использовались в качестве неорганических кристаллических наполнителей. Эти наполнители улучшили вертикальную теплопроводность чистого углепластика до 87%. В частности, магниевый наполнитель привел к наибольшему увеличению теплопроводности по всей толщине при очень низком содержании 0,01 мас.%, А также привел к превосходным механическим свойствам, сопоставимым со свойствами чистого углепластика. Он мог эффективно обеспечивать вертикальные пути теплопередачи, поскольку диаметр частиц наполнителя был больше, чем у алюминиевых и медных наполнителей.Кроме того, поскольку он имеет сферическую форму, вертикальная теплопроводность может быть улучшена в большей степени, даже при меньшем уровне, чем у пластинчатого медного наполнителя. На основе этих результатов было подтверждено, что форма и размер неорганического кристаллического наполнителя являются важными факторами, которые следует учитывать при попытках улучшить вертикальную теплопроводность при сохранении механических свойств композита углепластика за счет послойного включения неорганических кристаллов. . Эта работа также послужила основой для расширения области применения углепластика, предложив эффективный путь, который одновременно обеспечивает достижение их механических свойств и вертикальной теплопроводности за счет использования очень малых количеств неорганических кристаллических наполнителей.

Вклад авторов

E.L., H.L. и J.H.L. концептуализировал явление. М.-Г.К. и J.W.H. разработал проект. E.L., C.H.C. и S.H.H. провели эксперименты. Все авторы написали рукопись и проанализировали данные. Х.Л. и Дж.Х.Л. курировал весь проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Международной программой совместных исследований и разработок, финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея). Эта работа также была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No.NRF-2018R1A5A1024127).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирующие организации не играли никакой роли в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи и в решении опубликовать результаты.

Ссылки

1. Barros J.A.O., Fortes A.S. Усиление бетонных балок на изгиб с помощью ламината углепластика, вклеенного в прорези. Джем. Concr. Compos. 2005. 27: 471–480. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.07.004. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Янагимото Дж., Икеучи К. Процесс формирования листа из армированного углеродным волокном пластика для легких деталей. CIRP Ann. Manuf. Technol. 2012; 61: 247–250. DOI: 10.1016 / j.cirp.2012.03.129. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Бергер Д., Брабандт Д., Бакир К., Хорнунг Т., Ланца Г., Сумма Дж., Шварц М., Херрманн Х. Г., Поль М., Стоммель М. Влияние дефектов при серийном производстве легких компонентов гибридного углепластика — Выявление и оценка критических характеристик качества.Измерение. 2017; 95: 389–394. DOI: 10.1016 / j.measurement.2016.10.003. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Джессен Н.К., Норгаард-Нильсен Х.У., Шролл Дж. Легкие конструкции из углепластика для очень больших телескопов. Compos. Struc. 2008. 82: 310–316. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2007.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ли К.К. Структура, электрохимические и противоизносно-коррозионные свойства никель-фосфорного осаждения на композитах из углепластика. Матер. Chem. Phys. 2009. 114: 125–133. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2008.08.088. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чжан Ю.Л., Ян З.В., Чжан Дж.Й., Тао С.Дж. Характеристики низкоскоростного ударного повреждения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), с помощью инфракрасной термографии. Инфракрасный физ. Technol. 2016; 76: 91–102. DOI: 10.1016 / j.infrared.2016.09.014. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Дер А., Калуза А., Курле Д., Херрманн К., Кара С., Варлей Р. Инженерия жизненного цикла углеродных волокон для легких конструкций. Процедуры CIRP. 2018; 69: 43–48. DOI: 10.1016 / j.procir.2017.11.007.[CrossRef] [Google Scholar] 8. Счелси Л., Боннер М., Ходзич А., Сутис К., Скайф Р., Риджуэй К. Потенциальная экономия выбросов легких композитных компонентов самолета, оцененная посредством оценки жизненного цикла. Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 209–217. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.20. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Hufenbach W., Dobrzanski L.A., Gude M., Konieczny J., Czulak A.J. Оптимизация заклепочных соединений композитного материала углепластика и алюминиевого сплава. Ачиев. Матер. Manuf. Англ. 2007. 20: 119–122.[Google Scholar] 10. Давим Дж. П., Рейс П. Передовые композитные материалы будущего в аэрокосмической промышленности. Compos. Struc. 2003. 59: 481–487. DOI: 10.1016 / S0263-8223 (02) 00257-X. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Мразова М. Перспективные композитные материалы будущего в авиакосмической промышленности. Бюллетень INCAS. 2013; 5: 139–150. DOI: 10.13111 / 2066-8201.2013.5.3.14. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Танигучи Н., Нишиваки Т., Кавада Х. Прочность на разрыв однонаправленного ламината из углепластика при высокой скорости деформации. Adv. Compos.Матер. 2007. 16: 167–180. DOI: 10.1163 / 156855107780918937. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J. Повышение теплопроводности полимерных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном, путем покрытия высокоориентированных графитовых пленок. Матер. Des. 2015; 88: 1063–1070. DOI: 10.1016 / j.matdes.2015.09.096. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Yu G.C., Wu L.Z., Feng L.J., Yang W. Тепловые и механические свойства композитов из углеродного волокна с полимерной матрицей с трехмерной теплопроводностью. Compos.Struc. 2016; 149: 213–219. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.04.010. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван З., Ци Р., Ван Дж., Ци С. Улучшение теплопроводности эпоксидного композита, наполненного расширенным графитом. Ceram. Int. 2015; 41: 13541–13546. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2015.07.148. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжоу Ю., Яо Ю., Чен С. Ю., Мун К., Ван Х., Вонг К. Использование наполнителей из модифицированного полиимидом нитрида алюминия в композитах AlN @ PI / Epoxy с повышенной теплопроводностью для герметизации электроники.Sci. Отчет 2014; 4: 1–6. DOI: 10,1038 / srep04779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цуй В., Ду Ф., Чжао Дж., Чжан В., Ян Ю., Се X., Май Ю.В. Повышение теплопроводности при сохранении высокого удельного электрического сопротивления эпоксидных композитов за счет включения многослойных углеродных нанотрубок с покрытием из диоксида кремния. Углерод. 2011; 49: 495–500. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.09.047. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Мамуня Ю.П., Давыденко В.В., Писсис П., Лебедев Е.В. Электропроводность и теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками.Евро. Polym. J. 2002; 38: 1887–1897. DOI: 10.1016 / S0014-3057 (02) 00064-2. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Пак С.Ю., Ким Х.М., Ким С.Ю., Юн Дж.Р. Синергетическое улучшение теплопроводности термопластичных композитов со смешанным нитридом бора и наполнителями из многослойных углеродных нанотрубок. Углерод. 2012; 50: 4830–4838. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.06.009. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Се С.Ю., Чунг С.Л. Эпоксидная формовочная масса с высокой теплопроводностью, наполненная порошком AlN, синтезированным методом горения. Дж.Прил. Polym. Sci. 2006. 102: 4734–4740. DOI: 10.1002 / приложение.25000. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ваттанакул К., Мануспизи Х., Янумет Н. Теплопроводность и механические свойства эпоксидного композита с BN-наполнителем: влияние содержания наполнителя, условий смешивания и размера агломерата BN. J. Compos. Матер. 2010; 45: 1967–1980. DOI: 10.1177 / 0021998310393297. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Ван З., Лизука Т., Козако М., Оки Ю., Танака Т. Разработка композитов на основе эпоксидной смолы и BN с высокой теплопроводностью и достаточной диэлектрической прочностью на пробой. Часть I. Подготовка образцов и теплопроводность.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 2011; 18: 1963–1972. DOI: 10.1109 / TDEI.2011.6118634. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Гангули С., Рой А.К., Андерсон Д.П. Улучшенная теплопроводность для химически функционализированных композитов из вспученного графита и эпоксидной смолы. Углерод. 2008. 46: 806–817. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.02.008. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Никкеши С., Кудо М., Масуко Т. Динамические вязкоупругие свойства и термические свойства композитов порошок Ni – эпоксидная смола. J. Appl. Polym. Sci. 1996; 69: 2593–2598.DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4628 (19980926) 69:13 <2593 :: AID-APP9> 3.0.CO; 2-5. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Но Й.Дж., Ким С.Й. Синергетическое улучшение теплопроводности в полимерных композитах, наполненных углеродным волокном на основе пека и нанопластинами графена. Polym. Тестовое задание. 2015; 45: 132–138. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2015.06.003. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мойсала А., Ки К., Кинлох И.А., Виндл А.Х. Тепловая и электрическая проводимость однослойных и многослойных углеродных нанотрубок-эпоксидных композитов.Compos. Sci. Technol. 2006; 66: 1285–1288. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2005.10.016. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ян К., Гу М. Повышенная теплопроводность эпоксидных нанокомпозитов, наполненных гибридной системой наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных триэтилентетрамином, и наноразмерного карбида кремния, модифицированного силаном. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2010. 41: 215–221. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2009.10.019. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Юнг К.С., Лием Х. Повышенная теплопроводность эпоксидно-матричного композита из нитрида бора за счет мультимодального смешивания размеров частиц.J. Appl. Polym. Sci. 2007; 106: 3587–3591. DOI: 10.1002 / app.27027. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Карадонна А., Бадини К., Падовано Э., Пьетролуонго М. Электрическая и теплопроводность композитов эпоксидно-углеродный наполнитель, обработанных каландрированием. Материалы. 2019; 12: 1522. DOI: 10.3390 / ma12091522. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Хан С., Лин Дж. Т., Ямада Ю., Чунг Д. Д. Л. Повышение теплопроводности и модуля сжатия композитов углеродного волокна полимер-матрица в направлении сквозной толщины путем наноструктурирования межслойной границы раздела с углеродной сажей.Углерод. 2008; 46: 1060–1071. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ли Ю., Чжан Х., Лю Ю., Ван Х., Хуанг З., Пейджс Т., Билотти Э. Синергетические эффекты гибридных углеродных наночастиц с напылением для повышения электрической и тепловой поверхностной проводимости ламинатов из углепластика. Compos. Часть А Прил. Sci. Manuf. 2018; 105: 9–18. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2017.10.032. [CrossRef] [Google Scholar] 32. ASTM D790–03 – Стандартные методы испытаний свойств изгиба неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.ASTM International; Вест Коншохокен, Пенсильвания, США: 2003. [Google Scholar] 33. Ким Х., Парк С., Хинсберг В.Д. Наноструктуры на основе блок-сополимеров: материалы, процессы и приложения в электронике. Chem. Ред. 2010; 110: 146–177. DOI: 10.1021 / cr9v. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ли З., Ван Л., Фэн Ю., Фэн В. Функциональные наноматериалы на основе углерода: получение, свойства и применение. Compos. Sci. Technol. 2019; 179: 10–40. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2019.04.028. [CrossRef] [Google Scholar] 35.Kandare E., Khatibi A.A., Yoo S., Wang R., Ma J., Olivier P., Gleises N., Wang C.H. Улучшение теплопроводности и электропроводности по всей толщине слоистых материалов из углеродного волокна / эпоксидной смолы за счет использования синергии между нановключениями графена и серебра. Композиты: Часть A. 2015; 69: 72–82. DOI: 10.1016 / j.compositesa.2014.10.024. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжан С., Цао X.Y., Ма Ю.М., Кэ Ю.С., Чжан Дж.К., Ван Ф.С. Влияние размера и содержания частиц на теплопроводность и механические свойства композитов Al2O3 / полиэтилен высокой плотности (HDPE).Экспресс Полим. Lett. 2011; 5: 581–590. DOI: 10.3144 / expresspolymlett.2011.57. [CrossRef] [Google Scholar]

Свойства углеродного волокна — теплопроводность

Эта статья о теплопроводности находится в стадии разработки. Доступная информация сбивает с толку и иногда противоречит. Я пытаюсь использовать первичное исследование для получения информации, но это тяжелое чтение, и я просто не всегда его понимаю. Новая информация появляется постоянно, как и новые продукты. Наслаждаться!

Углеродное волокно и другие материалы на основе углерода разрабатываются для замены других более традиционных теплопроводных материалов.

Что подразумевается под ТЕПЛОВОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ?

Теплопроводность — это способность материала проводить тепло. Количественно это определяется законом теплопроводности Фурье:

Когда внутри тела существует температурный градиент, тепловая энергия будет течь из области высокой температуры в область низкой температуры. Это явление известно как теплопроводность и описывается законом Фурье.

Передача тепла через материалы с высокой теплопроводностью происходит с большей скоростью, чем через материалы с низкой теплопроводностью .Другими словами, материалы с высокой проводимостью проводят тепло лучше, чем материалы с высоким тепловым сопротивлением , которые используются в качестве теплоизоляторов.

Единиц теплопроводности

В британских единицах теплопроводность измеряется в БТЕ / (час · фут · F).

В единицах СИ (Международная система единиц, метрическая система) он измеряется в ваттах на метр кельвин (Вт · м-1 · K-1).

Несколько отраслей промышленности занимаются теплопроводностью и сопротивлением материалов, и для их нужд были разработаны различные шкалы.Так, строители используют R-value для оценки изоляционных материалов, в то время как швейная промышленность использует togs и clo для определения изоляционных свойств текстиля.

Как отводится тепло?

У неметаллов и металлов разная теплопроводность.

В металлах проводимость в основном обусловлена ​​свободными электронами. Это причина того, что металлы с высокой электропроводностью также обладают высокой теплопроводностью. Теплопроводность может изменяться при изменении температуры, часто снижаясь при повышении температуры.

Теплопроводность неметаллов в первую очередь обусловлена ​​колебаниями решетки (фононами). За исключением кристаллов высокого качества при низких температурах, особой разницы нет, а теплопроводность остается примерно постоянной.

Сравнение теплопроводности различных материалов.

Единицы измерения в этой таблице: Вт / м * К, для проводимости и г / см (3) для плотности.

Примечание. Следующая таблица предназначена только для сравнения. Теплопроводность будет варьироваться в зависимости от химического состава, типов древесины, кристаллической структуры, методов измерения, расположения волокон, температурного градиента, исходных материалов.Он представлен, чтобы показать относительную проводимость материалов. Углеродное волокно в его различных формах настолько разнообразно, что просто невозможно перечислить его без пояснений, поэтому теплопроводность углеродного волокна редко встречается в таблице.

МАТЕРИАЛ ПРОВОДИМОСТЬ ПЛОТНОСТЬ
Алюминий 210 2.71
Латунь (70Cu-30Zn) 115 8,5
Медь 398 8,94
Золото 315 19,32
Серебро 428 10,49
Алмаз 2500 3,51
Графит (пиролитический, некоторые плоскости) 300-1500 1.3-1,95
Графен (теоретический) 5020 н / д
Углеродная нанотрубка (теоретическая) 3500 НЕТ
Углеродное волокно 21–180 1,78
MP с высоким модулем упругости
Углеродное волокно с мезофазным шагом
в направлении волокон		 500 1,7
Кремний 141 2.33
Эпоксидная смола 0,5–1,5 1,11-1,4
Углеродное волокно в эпоксидной смоле 5-7 в плоскости .5-.8 поперечно 1,11-1,4
Воздух (неподвижный) 0,026 н / д
Стекло 0,93 2,3
Железо 80 6.98
Дерево,15 0,6
Пенополистирол 0,03 н / д
Минеральная вата, 04 н / д

Вот еще несколько расширенных таблиц теплопроводности: таблица теплопроводности из Википедии, таблица Engineering Toolbox — альтернативы

Я получил цифры для ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОБСТВЕННОСТИ УГЛЕРОДНО-ВОЛОКНО / ЭПОКСИДНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ из диссертации на докторскую степень в Университете Небраски.Перейдите на страницу 128, чтобы увидеть результаты, но посмотрите на процесс. Это хорошая иллюстрация того, какую работу необходимо выполнить для измерения теплопроводности неметаллических композитов.

Что такое графен?

Графен представляет собой плоский монослой атомов углерода, плотно упакованный в двумерную (2D) сотовую решетку (представьте себе миниатюрную проволочную структуру) и является основным строительным блоком для графитовых материалов. Его можно завернуть в фуллерены (другое название углеродных нанотрубок) или сложить в трехмерный графит.

Графеновая статья от Graphene Industries. Короткая читаемая страница.

Листы графена складываются в стопку графита. Листы графена были произведены недавно и являются предметом интенсивных исследований. Они пока не получили широкого распространения, но скоро появятся в ближайшей к вам отрасли!

ПРИМЕЧАНИЕ. Существует огромное количество статей и исследовательских работ по теплопроводности углеродного волокна, углеродных нанотрубок, графена. Что из этого выходит:

  • Имеется значительный диапазон измеряемых значений.Он может быть довольно низким в случае композитного углеродного волокна, измеренным по листу, или очень высоким для таких материалов, как пиролитический графит и алмаз.
  • Углеродное волокно, графит и другие производные углерода сильно различаются в зависимости от измеряемой плоскости. Вдоль волокна проводимость высокая, по отношению к плоскости проводимость сильно снижена.
    Чем выше содержание углерода в углеродных волокнах, уровень карбонизации, тем выше теплопроводность.
  • Углеродные композиты трудно измерить, потому что многое зависит от метода производства, точного состава матрицы, воздуха, расположения волокон, метода измерения, подготовки образцов.
  • Было проведено несколько экспериментов, в которых теплопроводность углеродных композитов была увеличена за счет легирования углеродными нанотрубками и другими материалами на основе углерода.
  • Поскольку технология не развита, некоторые из приведенных цифр являются теоретическими и еще не достигнуты.

Зачем нужны термальные материалы на основе углерода?

Каковы преимущества использования углеродного волокна, графита и т. Д.

Стабильность размеров

Углеродное волокно имеет преимущество перед медью и другими металлами, поскольку имеет очень низкий коэффициент теплового расширения.Когда материал нагревается, он расширяется, а затем снова сжимается при охлаждении. Это может стать серьезной проблемой, когда допуски очень важны. Примерами являются оптические системы и микроэлектроника.

Медь имеет коэффициент 16,6 (10-6 м / м K), в то время как углеродное волокно может составлять всего 0. По этой причине медь была объединена с углеродным волокном / графитовыми материалами для создания материала со значительно меньшим коэффициентом линейной термической стойкости. расширение.

Были испытаны алюминий и углерод, но смесь образует гальваническую пару, вызывающую коррозию.Медь — лучший выбор. Коррозия не является проблемой, и фактическая теплопроводность может быть выше, чем у меди, если углеродное волокно сильно графитовое.

Значительно большая теплопроводность

Некоторые графиты и алмазы намного выше меди и серебра. проводимость в 5 раз больше. Обычно стоимость непомерно высока. Графит с высокой проводимостью довольно хрупок, и это является недостатком.

Масса и прочность

Углеродные материалы значительно легче металлов.Углеродное волокно также имеет более высокое соотношение прочности и веса.

Любое углеродное волокно в обычной эпоксидной смоле может подвергаться воздействию температур, которые не повредят эпоксидную матрицу. По этой причине обычные композиты имеют ограниченное применение. Была разработана высокотемпературная эпоксидная смола, но на самом деле она не очень высока. Существуют способы изготовления панелей из углеродного волокна без заделки их в эпоксидную смолу, что значительно расширяет диапазон температур. Ссылку на описание характеристик углеродных волокон с высокой термальной проводимостью см. На боковой панели.

Графит можно использовать в условиях, которые могут повредить обычные материалы. Он обладает высокой устойчивостью к коррозии и хорошими незагрязняющими свойствами. SGL Group предлагает теплообменники из графита

.

Итак … Углеродное волокно является хорошим проводником тепла?

Как обычно, ответ — «это зависит от обстоятельств». Короткий ответ — НЕТ, только не тогда, когда обычное углеродное волокно состоит из обычной эпоксидной смолы и, как ожидается, будет проводить тепло по всей толщине. Если измерять теплопередачу сильно карбонизированного плоского волокна с добавлением графита или алмаза по длине волокна, оно очень хорошее и может конкурировать с медью и превосходить ее.Графит — распространенный материал для теплообменников.

Другие углеродные материалы, такие как алмаз или некоторые графиты, такие как пиролитический графит, имеют звездообразную форму и могут быть в 5 раз лучше меди.

Были проведены исследования по улучшению теплопроводности стекловолоконного композита за счет добавления графена. Было отмечено улучшение на 50%. Резюме доступно здесь. Вы также можете заплатить, чтобы прочитать статью полностью.

На Ognition.com есть хорошая статья о графитовых теплообменниках и их применениях.

Графеновые листы и углеродные нанотрубки обладают удивительным потенциалом, но пока еще не получили широкого распространения. Продолжение следует …

, напишите мне, если найдете ошибки, я исправлю их, и мы все выиграем: Кристина .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *