摘要
电子工业的飞速发展需要具有更高有效导热系数和更低热膨胀系数的导热材料，以最大程度地降低设备工作期间的热应力。铝比铜具有更低的有效导热系数和更高的热膨胀系数，但它更轻，更便宜，因此在生产超高导热系数复合材料时成为更具吸引力的选择。众所周知，多壁碳纳米管具有超高的有效导热系数和超低的热膨胀系数。这使得碳纳米管成为制造具有高导热系数和低热膨胀系数铝基复合材料的绝佳增强材料。碳纳米管铝基复合材料复杂的微观结构导致没有用于估算碳纳米管铝基复合材料有效导热系数和热膨胀系数的通用方法，只能从分散的实验数据中查找。因此，模拟是预测复杂结构复合材料热性能的最具成本效益的选择。深入了解碳纳米管铝基复合材料的微观导热特性和热膨胀特性对于优化复合材料性能以及制备工艺非常重要。 本文采用多尺度有限元模型来研究碳纳米管铝基复合材料的有效导热系数。建立了随机分布、均匀定向分布、层状分布、束状分布、网状分布五种代表性体积元模型。为了准确反映实际微观结构，考虑了微观结构的界面层和杂质，建立了五种构型的修正模型。研究结果表明由于增强相的存在，复合材料温度分布不均匀。碳纳米管有很强的各向异性，当加载方向与碳纳米管方向一致时热流密度最高，当加载方向与碳纳米管方向垂直时热流密度最低。层状结构有效导热系数最高，且随着碳纳米管体积分数增加呈线性增加。无界面层和杂质的预测模型得出的预测结果较高，而带有界面层和杂质的修正模型为预测碳纳米管铝基复合材料的有效导热系数提供了较好的估计。增强相体积分数对复合材料的有效导热系数影响较大，随着增强相体积分数的增加，复合材料的有效导热系数增加。 利用稳态分析模块对五种构型复合材料的热膨胀系数进行模拟分析。微观结构中杂质对热膨胀系数几乎没有影响，因此建立了有界面层但无杂质的五种构型修正模型。研究结果表明复合材料中应力和应变分布很不均匀。碳纳米管方向与膨胀方向相同时，应力、应变最高，碳纳米管方向与膨胀方向垂直时应力、应变最低。无界面层的模型计算出的预测结果偏高，而带有界面层的预测模型更能准确地预测复合材料热膨胀系数。束状分布的复合材料热膨胀系数最低，且随着碳纳米管体积分数增加碳纳米管铝基复合材料热膨胀系数降低。为了更深层的探究束状构型对碳纳米管铝基复合材料热膨胀系数的影响，建立了碳纳米管数量相同但摆放位置不同的束状结构模型。结果表明随着每束碳纳米管数量的增加复合材料热膨胀系数减小，且减小速率趋于平缓。
NETL