【正文】 阻 SiCpMo/Cu CuCr2C3/diamond 惡性非完美界面 SiCp/Mg SiCp/Al SiCp/Cu 第三相降低界面結(jié)合， 顯著增大界面熱阻 具有超越完美界面復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率的求解 單個(gè)多晶體 +其它獨(dú)立顆粒 1 2 /pgp g gKKK h d??多晶體的熱導(dǎo)率 ? ?? ?/1/11 2 2 1/ 2 / 2/1/111/ 2 / 2pgppgpe ffe ffmgmgge ff e ffmmcm e ffe ffmgmgge ff e ffmmKKKKVVK K K KKKKKKKVVK K K K?? ???? ???? ????? ? ????? ??????? ??????? ? ??????? ????(MEMA) 1 2 / 2 /gpe f fp g p gKKK d h K D h???多晶體在復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率 gDd??1 2 /gpe ffpgKKK d h? ?簡(jiǎn)化處理 實(shí)驗(yàn)分析（ Yoshida et al）Cu/diamond Km Kp Vp d Kc (Exp.) A 395 1300 75 50 745 B 395 1300 70 100 742 h 107W/m2K gh 109 W/m2K 超高壓燒結(jié)工藝 使用 MEMA確定連通顆粒的數(shù)量 HasselmanJohnson Kc MaxwellEucken 23% 33% 50μm 100μm 界面熱阻的影響仍然存在 MEMA模型數(shù)值分析 Ref 微米 500W/mK 納米 100W/mK 1 2 /pgp g gKKK h d? ?MEMA模型數(shù)值分析 具有非完美界面復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率的求解 (HasselmanJohnson) KsR R R??//sshKHhK?????[ 2 2 ( ) ]2 ( )e f f e f fm m p p m pc e f f e f fm p p m pK K K K K VKK K K K V? ? ??? ? ?1 2 /pe ffppKKK H d? ?HasselmanJohnson ssR K??簡(jiǎn)化處理 惡性非完美界面的實(shí)質(zhì)（ 空氣層 ） 空氣的熱導(dǎo)率 0sK ?界面熱阻無(wú)限大 ssRK??sR ??實(shí)驗(yàn)分析 Materials Km Kp Vp d Kc SiCp/Cu (A) 400 254 50 222 MoSiCp/Cu (B) 50 288 MoSiCp/Cu (C) 180 307 h= 107W/m2K 空氣層熱導(dǎo)率 W/mK SiCp/Cu SiCpMo/Cu (Schubert et al) Mo熱導(dǎo)率 138 W/mK 40nm 180nm Mo固溶 Cu基體 mKKc(SiCMo) HasselmanJohnson Kc(SiC) 多孔復(fù)合材料 SiCp/Cu,SiCpMo/Cu Cu/diamond， CuCr/diamond （ Shubert et al） Materials Km Kp Vp d Kc Cu/diamond (A) 400 1500 195 200 CuCr/diamond (B) 740 h= 107W/m2K 空氣層熱導(dǎo)率 W/mK Cr2Cr3熱導(dǎo)率 19 W/mK 擬合參數(shù) 100nm Cu/diamond， CuCr/diamond 添加元素的種類和含量（ Cr， B ~1 at%） Al/diamond， AlSi/diamond （ Rush et al） Materials Km Kp Vp d Al/diamond 230 1800 100 Al7Si/diamond 170 h5 107 W/m2K （ Stoner et al） 空氣層熱導(dǎo)率 W/mK Al4C3 140 W/mK 擬合參數(shù) 400nm Al/diamond GPI 770 W/mK 750℃ /8MPa ~1100℃ /2GPa AlSi/diamond Si在界面處發(fā)生偏聚 阻礙 Al4C3的生成 數(shù)值分析 （ Cu/diamond） 10~100 W/mK 碳化物的熱導(dǎo)率 界面生成物厚度（ δ）和熱導(dǎo)率（ Ks）的影響 合理選擇合金 元素和其含量 數(shù)值分析 （ 導(dǎo)熱比（ Kp/Km） /空氣層厚度 (δ)的影響 ） ? 根據(jù)材料界面的導(dǎo)熱特性不同，可將復(fù)合材料的界面分為：超越完美界面，完美界面，非完美界面三種類型。其中非完美界面又可分為良性非完美界面和惡性非完美界面，界面的導(dǎo)熱能力依次降低。 ? 基于 MEMA模型提出適合描述具有超越完美界面復(fù)合材料熱導(dǎo)率的簡(jiǎn)易模型，可對(duì)發(fā)生連通顆粒的數(shù)量進(jìn)行估算，并得出在越完美界面復(fù)合材料中，使用微米級(jí)顆粒復(fù)合材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用納米顆粒復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。顆粒粒徑在一定范圍內(nèi)，顆粒之間的相互連通才會(huì)顯著提高整體復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。 ? 基于 HasselmanJohnson模型提出適合描述具有非完美界面復(fù)合材料熱導(dǎo)率的簡(jiǎn)易模型，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合的較好。并得出界面處的空氣薄層是決定此類復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的重要因素，大約 20μm厚度的空氣層就將將高導(dǎo)熱性能的顆粒等同為基體中的孔隙。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與界面層的厚度及導(dǎo)熱性能成反比。 小結(jié) 提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的措施 ? 改善各相分布形態(tài)，盡量使其成為并聯(lián)的形式。 ? 各相各自連續(xù)； ? 先制備骨架，再熔浸。 ? 降低界面熱阻 ? 對(duì)聲子導(dǎo)熱材料（金剛石、 SiC等）進(jìn)行涂（鍍）層； ? 采用液相制備技術(shù)，加強(qiáng)復(fù)合材料界面的冶金結(jié)合； ? 不使用粒度過(guò)小的聲子導(dǎo)熱材料（金剛石、 SiC等）的 顆粒。 制備方法 ?粉末冶金，粉末混合、壓制成形、燒結(jié) ?制備骨架，熔浸 壓擠滲透的設(shè)備 與壓力鑄造相比 壓頭連續(xù)移動(dòng) 彌補(bǔ)收縮 移動(dòng)速度慢 外加壓力大 課題內(nèi)容：基于有效介質(zhì)理論的原理和方法，主要以 SiCp/Al， Cu（ Al） /diamond 復(fù)合材料作為研究對(duì)象，系統(tǒng)地論述了高導(dǎo)熱復(fù)合材料中顯微結(jié)構(gòu) — 導(dǎo) 熱性能關(guān)聯(lián)，并對(duì)高導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能中存在的若干問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。 科研成果：目前，研究成果已經(jīng)發(fā)表在 22 篇（第一作者 SCI： 11 篇，影響因子之和大于 13）國(guó)內(nèi)外高水平雜志上，成功協(xié)助導(dǎo)師申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)家自然基金（面上項(xiàng)目）， 3 項(xiàng)國(guó)家專利（其中一項(xiàng)已經(jīng)授權(quán)），得到相關(guān)專家的好評(píng)。 蠕變 基體與纖維的行為 ? 材料在長(zhǎng)時(shí)間受到一定載荷時(shí)的變形作為蠕變行為而處置。在受到長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷時(shí)，材料各部分的應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。這在工程上是不希望的。一般地，在材料中的應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生蠕變，在材料達(dá)到其熔點(diǎn)溫度 Tm的 40~50%時(shí)，會(huì)促進(jìn)這樣的蠕變的發(fā)生。 第一蠕變是作為微小結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)而出現(xiàn)，第二蠕變是上一階段的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，其后，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定狀態(tài)，在斷裂開始的第三蠕變之后，材料發(fā)生斷裂。 復(fù)合材料的特征之一 ? 對(duì)熱塑性樹脂與金屬基體，加入強(qiáng)化材料相，能夠顯著地改善其蠕變性能。通常玻璃的強(qiáng)化溫度為 900~1000K，但在 550K尚不表現(xiàn)出蠕變特性。而且，雖然塑料基纖維的高溫特性不太好，但氧化鋁（ Tm～ 2300K）等陶瓷纖維在1100K以下不出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。另一方面， SiC及碳纖維，由于其微小結(jié)構(gòu)的特性，即使是超過(guò) 1200K也能表現(xiàn)出優(yōu)異的蠕變特性。而且，復(fù)合材料的蠕變現(xiàn)象與負(fù)荷的形式與大小有關(guān)，這樣的特性還受到試樣尺寸及界面性能的影響。 長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的軸應(yīng)力蠕變 ? ?0 1fmfE f E?? ???ffE??? ?? ?? ? ? ?1/111nnnfmAddt fEffE? ? ?? ????????????← 在基體的彈性范圍內(nèi) ← 完全由 纖維承擔(dān) 橫向蠕變與連續(xù)強(qiáng)化復(fù)合材料 ? 聚酯 /50%玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料受到橫向載荷時(shí)纖維與基體的應(yīng)力比隨纖維長(zhǎng)徑比的變化 蠕變特性對(duì)纖維的長(zhǎng)徑比十分敏感 ? Al合金 /SiC顆粒及晶須復(fù)合材料中 561K定常蠕變狀態(tài)下最小蠕變速度與負(fù)荷應(yīng)力的關(guān)系 伴隨溫度變化的蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系：（ a） Al/10% Al2O3短纖維復(fù)合材料；（ b） Al/10%Saffil復(fù)合材料 界面的重要作用 ? 在高溫，較小的應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生界面開口，所以在纖維的徑向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在由熱循環(huán)使蠕變速度增大時(shí)，界面會(huì)產(chǎn)生大的孔隙。這樣的界面上的大空洞，在三維蠕變的蠕變速度高的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，急劇地導(dǎo)致材料的蠕變斷裂。