高导热聚甲醛复合材料性能研究及热传导模拟

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.008

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 56-62.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.008

高导热聚甲醛复合材料性能研究及热传导模拟

肖伟根, 龙春光(), 王轲, 闵建新

长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙 410004

收稿日期:2023-05-16 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 龙春光（1965—），博士，教授，硕士生导师，研究方向为先进耐磨复合材料的设计、制造与应用，642426853@qq.com
E-mail:642426853@qq.com

Study on performance and thermal conduction simulation of highly thermally conductive polyoxymethylene composite materials

XIAO Weigen, LONG Chunguang(), WANG Ke, MIN Jianxin

School of Automobile and Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China

Received:2023-05-16 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: LONG Chunguang E-mail:642426853@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

为了解决聚甲醛（POM）导热性差的问题，在POM中加入了铜纤维（COF）和玄武岩纤维（BF），通过挤出⁃注塑工艺分别制备了POM/COF、 POM/COF/BF复合材料；并利用ABAQUS软件验证了COF对POM导热性能的影响。结果表明，铜纤维使POM的热导率达到0.39 W/mK；在力学测试中，COF略微增加了POM的刚度，但却降低了POM的拉伸强度；随着BF含量的增加，POM/COF复合材料的热导率随之增加，在15 %含量时达到最大，约为0.5 W/mK，比纯POM的热导率提高了约50 %；同时BF的加入使POM的刚度大幅度增加，最大提高了约200 %。通过ABAQUS稳态热传导仿真，发现含铜纤维的复合材料表面温度更低，热流更易通过纤维传递至低温区域。

关键词: 聚甲醛, 铜纤维, 玄武岩纤维

Abstract:

To address the poor thermal conduction issue of polyoxymethylene （POM）， copper fiber （COF） and basalt fiber （BF） were added to POM to prepare POM/COF and POM/COF/BF composites through an extrusion⁃injection molding process. The influence of COF on the thermal conductivity of POM was verified using the ABAQUS software. The results indicated that the addition of copper fiber increased the thermal conductivity of POM up to 0.39 W/mK. The mechanical test results indicated that the incorporation of COF increased the stiffness of POM slightly but reduced its tensile strength. The thermal conductivity of POM/COF composite increased with an increase in the BF content and reached a maximum of around 0.5 W/mK at a BF content of 15 wt%， which was approximately 50 % higher than that of pure POM. Meanwhile， the addition of BF increased the stiffness of POM significantly， resulting in a maximum increase by about 200 %. Through steady⁃state thermal conduction simulation using the ABAQUS software， the composite containing copper fiber was found to obtain a lower surface temperature. This may be because the heat flow was more easily transferred to the low⁃temperature area through the fibers.

Key words: polyoxymethylene, copper fiber, basalt fiber

中图分类号:

TQ326.51

肖伟根, 龙春光, 王轲, 闵建新. 高导热聚甲醛复合材料性能研究及热传导模拟[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 56-62.

XIAO Weigen, LONG Chunguang, WANG Ke, MIN Jianxin. Study on performance and thermal conduction simulation of highly thermally conductive polyoxymethylene composite materials[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 56-62.

图/表 15

图1 KH550溶液与玄武岩纤维的反应原理

Fig.1 Reaction principle of KH550 solution and basalt fiber

样品编号	POM含量/%	COF含量/%	BF含量/%
POM	100	-	-
CFI	80	20	-
CFI5BF	75	20	5
CFI10BF	70	20	10
CFI15BF	65	20	15
CFI20BF	60	20	20

表1 样品配方表

Tab.1 Description of the tested materials

图2 POM/COF复合材料的模型

Fig.2 POM/copper fiber composite model

图3 BF改性前后的FTIR谱图

Fig.3 FTIR of original BF and treated BF

图4 改性前后BF表面的SEM照片

Fig.4 SEM of BF surfaces before and after modification

图5 POM及其复合材料的导热性能

Fig.5 Thermal conductivity of POM and its composites

图6 POM及其复合材料的应力⁃应变曲线

Fig.6 Stress⁃strain curve of POM and its composites

图7 复合材料的力学性能

Fig.7 Mechanical properties of the composite

图8 复合材料表面的SEM照片

Fig.8 SEM of the composite surface

样品	密度/g·cm^-3	冲击强度/ kJ·m^-2
POM	$1.403 ± 0.005$	8.291 0±3
CFI	$1.523 ± 0.005$	5.447 3±3
CFI5BF	$1.643 ± 0.005$	4.810 7±3
CFI10BF	$1.743 ± 0.005$	4.579 9±3
CFI15BF	$1.764 ± 0.005$	4.227 8±3
CFI20BF	$1.808 ± 0.005$	4.295 9±3

样品	密度/g·cm^-3	冲击强度/ kJ·m^-2
POM	$1.403 ± 0.005$	8.291 0±3
CFI	$1.523 ± 0.005$	5.447 3±3
CFI5BF	$1.643 ± 0.005$	4.810 7±3
CFI10BF	$1.743 ± 0.005$	4.579 9±3
CFI15BF	$1.764 ± 0.005$	4.227 8±3
CFI20BF	$1.808 ± 0.005$	4.295 9±3

表2 复合材料的密度和冲击强度测试结果

Tab.2 Density and impact strength of the composites

表2 复合材料的密度和冲击强度测试结果

Tab.2 Density and impact strength of the composites

图9 POM和CFI复合材料的冲击断面SEM照片和元素分析结果

Fig.9 SEM and elemental analysis results of impact sections of POM and CFI composite materials

图10 POM/COF/BF复合材料的冲击断面SEM照片

Fig.10 SEM of impact section of POM/COF/BF composite material

图11 第一类和第二类边界条件下POM和CFI的温度分布

Fig.11 Temperature distribution of POM and CFI under the first and second type of boundary conditions

图12 图11（b）模型的剖视图

Fig.12 Profile view of the Fig.11（b） model

图13 图11（d）模型的俯视图

Fig.13 Top view of the Fig.11（d） model

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