專利名稱：填充改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方及獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方及其獲取方法。
背景技術(shù)：
在石油化工及藥物生產(chǎn)的過程中，部分換熱設(shè)備經(jīng)常在腐蝕性環(huán)境下工作。目前應(yīng)用的耐腐蝕換熱器主要有兩類第一類是鈦板、鎳板、Mo2Ti等合金材料制造的板式或管 殼式換熱器；第ニ類是，石墨、PTFE、PP等非金屬材料制造的換熱器。合金材料的成本較高，且在強腐蝕性下，部分合金材料也會腐蝕，制約了合金材料類板式或管殼式換熱器的使用范圍；非金屬類換熱器的運行成本低但其換熱效率很低，利用石墨、碳纖維兩相填充改性PTFE復(fù)合材料制成的換熱器，克服了常用耐腐蝕性換熱器的這些缺點?，F(xiàn)有技術(shù)僅僅對石墨、碳纖維兩相填充改性PTFE復(fù)合材料的部分關(guān)鍵性能做了研究，但是沒有系統(tǒng)性的去優(yōu)化尋求二者最佳的配比，從而使復(fù)合材料達到最佳性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方及其獲取方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)僅對石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的部分關(guān)鍵性能做了研究，但是沒有系統(tǒng)性地去優(yōu)化尋求二者最佳的配比，未能使改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料達到最佳性能的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方，該配方包括石墨、碳纖維，所述石墨填充的體積分數(shù)為18±0.5%，所述碳纖維填充的體積分數(shù)為 10% O進ー步，該配方中的碳纖維在填充前需要進行表面處理。進ー步，對碳纖維進行表面處理的方法包括等離子體法、離子處理法、涂層處理、氧化法、偶聯(lián)劑處理法、溶液還原處理與凈化法、表面晶須化法、電聚合與電沉積處理法。進ー步，粒度為250目的石墨對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率改性效果較其它粒度更為明顯。本發(fā)明的另一目的在于提供一種獲得填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料配方的方法，該方法包括以下步驟步驟一，采用APDL編寫的石墨填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率模擬有限元分析命令流進行數(shù)值模擬，研究石墨粒度、體積分數(shù)以及分布方式對改性PTFE復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響；步驟ニ，根據(jù)塑性材料拉伸試驗原理，按GB1040-1992對石墨改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料進行拉伸試驗，得到改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的拉伸性能曲線及相應(yīng)石墨添加體積分數(shù)下的拉伸強度；步驟三，以傅里葉定律為基礎(chǔ)，考慮溫度梯度和平均熱流量，引入Eshelby定義的當量溫度梯度及與纖維長徑比有關(guān)的向量矩陣，推導(dǎo)出碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式；步驟四，利用多元線性擬合得到石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式；步驟五，依據(jù)HalPin-Tsai模型和短纖維增強復(fù)合材料的強度混合法則，分別得到碳纖維增強復(fù)合材料的彈性模量和強度；步驟六，通過MATLAB約束非線性規(guī)劃，求解在滿足改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料強度要求及熱導(dǎo)率最大時，石墨及碳纖維在改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料中填充的體積分數(shù)。進ー步，在步驟三中，碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式為
_7] ^ x1 +025vIhI +3bs +KHsz -^ + [Sbl -3b2 -3b3 --1)d\
_I + 0.251^, -b2+3b3+b4)c + (3b, — Sb2 -3b3 -b4)D]其中，\ '是碳纖維填充改性前復(fù)合材料的熱導(dǎo)率W/m K ；V是纖維體積分數(shù)；b
0 _j_I + ノ，
是與纖維狀態(tài)分布相關(guān)的常數(shù)= sレこ義2廠〒 ’￡> ニ s (ぇへ\_A,；んZ是碳纖
維軸向熱導(dǎo)率W/m K ;入fx是碳纖維徑向熱導(dǎo)率W/m K。進ー步，在步驟四中，利用多元線性擬合得到石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式為A=L 9882^+12. 91491V2_0. 2886 ；其中，V1是石墨填充體積分數(shù)；V2是碳纖維填充體積分數(shù)，此公式適用于V1 く 26% ；V2 く 10%。進ー步，在步驟六中，通過MATLAB約束非線性規(guī)劃求解石墨及碳纖維在改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料中填充的體積分數(shù)時，目標函數(shù)需要滿足的約束條件為約束條件I :熱導(dǎo)率與石墨的體積分數(shù)的函數(shù)關(guān)系入=I. 988Vi+l ；約束條件2 :強度與石墨的體積分數(shù)的函數(shù)關(guān)系び=vo.4J^-°-37335 '約束條件3 :強度不小于20MPa ；其中，入，O ,V1分別表示填充改性復(fù)合材料的熱導(dǎo)率W/m K、強度MPa，以及填充石墨的體積分數(shù)。本發(fā)明提供的填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方及其獲取方法，石墨填充的體積分數(shù)為18±0. 5%，所述碳纖維填充的體積分數(shù)為10%;利用熱導(dǎo)率測量裝置研究石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，利用拉伸和電鏡掃描實驗研究改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，利用有限元數(shù)值模擬研究石墨改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，并由理論推導(dǎo)得到碳纖維添加改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，利用經(jīng)驗公式研究改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，達到了系統(tǒng)化地優(yōu)化尋求二者最佳配比的目的，使改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料在滿足結(jié)構(gòu)性強度要求下，導(dǎo)熱性能達到最佳，有效地提高了改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料制成的耐腐蝕性換熱器的耐腐蝕性及換熱效率。


圖I是本發(fā)明實施例提供的獲得填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料配方的方法的實現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的利用有限元數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗值、M-E模型及N-L模型的預(yù)測值的結(jié)果示意圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的在定體積分數(shù)下，模擬不同粒度石墨顆粒填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的結(jié)果示意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的模擬不同粒度石墨對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率影響的結(jié)果示意
圖4是本發(fā)明實施例提供的當石墨填充體積分數(shù)在40%以下時，石墨隨機分布及均勻分布在聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料基體中，對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的結(jié)果不意圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的對250目粒度，填充體積分數(shù)14% 26%的區(qū)間，以2%為間隔細化研究石墨體積分數(shù)對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率影響的結(jié)果示意圖；圖7是本發(fā)明實施例提供的根據(jù)塑性材料拉伸試驗原理，按GB1040-1992對石墨改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料進行拉伸試驗，改性后復(fù)合材料的拉伸性能曲線及相應(yīng)石墨添加體積分數(shù)下拉伸強度的結(jié)果示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步的詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。本發(fā)明的目的在于提供一種填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方，該配方包括石墨、碳纖維，石墨填充的體積分數(shù)為18±0. 5%，碳纖維填充的體積分數(shù)為10%。在本發(fā)明實施例中，該配方中的碳纖維在填充前需要進行表面處理。在本發(fā)明實施例中，對碳纖維進行表面處理的方法包括等離子體法、離子處理法、涂層處理、氧化法、偶聯(lián)劑處理法、溶液還原處理與凈化法、表面晶須化法、電聚合與電沉積處理法。在本發(fā)明實施例中，粒度為250目的石墨對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率改性效果較其它粒度更為明顯。圖I示出了本發(fā)明實施例提供的獲得填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料配方的方法的實現(xiàn)流程。該方法包括該方法包括以下步驟在步驟SlOl中，采用APDL編寫的石墨填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率模擬有限元分析命令流進行數(shù)值模擬，研究石墨粒度、體積分數(shù)以及分布方式對改性PTFE復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響；在步驟S102中，根據(jù)塑性材料拉伸試驗原理，按GB1040-1992對石墨改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料進行拉伸試驗，得到改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的拉伸性能曲線及相應(yīng)石墨添加體積分數(shù)下的拉伸強度；在步驟S103中，以傅里葉定律為基礎(chǔ)，考慮溫度梯度和平均熱流量，引入Eshelby定義的當量溫度梯度及與纖維長徑比有關(guān)的向量矩陣，推導(dǎo)出碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式；在步驟S104中，利用多元線性擬合得到石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式；在步驟S105中，依據(jù)HalPin-Tsai模型和短纖維增強復(fù)合材料的強度混合法則，分別得到碳纖維增強復(fù)合材料的彈性模量和強度；在步驟S106中，通過MATLAB約束非線性規(guī)劃，求解在滿足改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料強度要求及熱導(dǎo)率最大時，石墨及碳纖維在改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料中填充的體積分數(shù)。在本發(fā)明實施例中，在步驟S103中，碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式為
權(quán)利要求
1.一種填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方，該配方包括石墨、碳纖維，其特征在于，所述石墨填充的體積分數(shù)為18±0.5%，所述碳纖維填充的體積分數(shù)為10%。
2.如權(quán)利要求I所述的配方，其特征在于，該配方中的碳纖維在填充前需要進行表面處理。
3.如權(quán)利要求I所述的配方，其特征在于，對碳纖維進行表面處理的方法包括等離子體法、離子處理法、涂層處理、氧化法、偶聯(lián)劑處理法、溶液還原處理與凈化法、表面晶須化法、電聚合與電沉積處理法。
4.如權(quán)利要求I所述的配方，其特征在于，粒度為250目的石墨對改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率改性效果較其它粒度更為明顯。
5.一種獲得填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料配方的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一，采用APDL編寫的石墨填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率模擬有限元分析命令流進行數(shù)值模擬，研究石墨粒度、體積分數(shù)以及分布方式對改性PTFE復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響； 步驟ニ，根據(jù)塑性材料拉伸試驗原理，按GB1040-1992對石墨改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料進行拉伸試驗，得到改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的拉伸性能曲線及相應(yīng)石墨添加體積分數(shù)下的拉伸強度； 步驟三，以傅里葉定律為基礎(chǔ)，考慮溫度梯度和平均熱流量，引入Eshelby定義的當量溫度梯度及與纖維長徑比有關(guān)的向量矩陣，推導(dǎo)出碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式； 步驟四，利用多元線性擬合得到石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式； 步驟五，依據(jù)HalPin-Tsai模型和短纖維增強復(fù)合材料的強度混合法則，分別得到碳纖維增強復(fù)合材料的彈性模量和強度； 步驟六，通過MATLAB約束非線性規(guī)劃，求解在滿足改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料強度要求及熱導(dǎo)率最大時，石墨及碳纖維在改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料中填充的體積分數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟三中，碳纖維添加復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式為
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟四中，利用多元線性擬合得到石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟こ烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的預(yù)測關(guān)聯(lián)式為入=I.9882^+12. 91491V2-0. 2886 ；其中，V1是石墨填充體積分數(shù)'%是碳纖維填充體積分數(shù)，此公式適用于V1 ^26% ；V2 ( 10%。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟六中，通過MATLAB約束非線性規(guī)劃求解石墨及碳纖維在改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料中填充的體積分數(shù)時，目標函數(shù)需要滿足的約束條件為 約束條件I :熱導(dǎo)率與石墨的體積分數(shù)的函數(shù)關(guān)系λ = I. 988Vi+l ；g 2335 約束條件2 :強度與石墨的體積分數(shù)的函數(shù)關(guān)系σ =； 約束條件3 :強度不小于20MPa ； 其中，λ，σ，V1分別表示填充改性復(fù)合材料的熱導(dǎo)率W/m · K、強度MPa，以及填充石墨的體積分數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種填充改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方及其獲取方法，石墨填充的體積分數(shù)為18±0.5％，碳纖維填充的體積分數(shù)為10％；利用熱導(dǎo)率測量裝置研究石墨、碳纖維兩相填充改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，利用有限元數(shù)值模擬研究石墨改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，并由理論推導(dǎo)得到碳纖維添加改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，利用經(jīng)驗公式研究改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能，達到了系統(tǒng)化地優(yōu)化尋求二者最佳配比的目的，使改性聚四氟乙烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料在滿足結(jié)構(gòu)性強度要求下，導(dǎo)熱性能達到最佳，有效地提高了耐腐蝕性換熱器的耐腐蝕性及換熱效率。
文檔編號C08K3/04GK102766309SQ20121023738
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者劉敏珊, 李趙, 王永慶, 陳曉堂, 靳遵龍 申請人:鄭州大學(xué)