Влияние контактного термосопротивления между включениями и матрицей на эффективную теплопроводность полимерных композитов с ориентированными стеклянными волокнами и дисперсными включениями политетрафторэтилена
УДК
536.2EDN
SOUYMWDOI:
10.31429/vestnik-23-3-44-54Аннотация
Разработан метод вычисления тензора эффективной теплопроводности многокомпонентного матричного композита с включениями различной формы и ориентации с учетом контактного термосопротивления на границе между включениями и матрицей. Для учета контактного термосопротивления используется модель матричного композита с включениями с оболочкой, толщина и теплопроводность которой согласованы с величиной контактного термосопротивления. Вычисления производятся на основе обобщенного приближения эффективного поля. Метод применен для композита с полимерной матрицей ЭД-20 и включениями трех видов. Первые два вида включений — параллельные фиксированной плоскости и взаимно перпендикулярные цилиндрические волокна Е-стекла, третий вид — антифрикционные сферические включения политетрафторэтилена. Выведены расчетные соотношения, с помощью которых проведены модельные расчеты. Получены зависимости главных компонент тензора эффективной теплопроводности от величины контактного термосопротивления, а также от объемной доли стеклянных волокон. Определены значения контактного термосопротивления, при которых эффективная теплопроводность композита не зависит от объемных долей стеклянных волокон или включений политетрафторэтилена. При этом если контактное термосопротивление ниже данных значений, то увеличение объемной доли политетрафторэтилена или стеклянных волокон приводит к увеличению эффективной теплопроводности композита, а если выше, то к уменьшению перпендикулярной к волокнам компоненты тензора теплопроводности.
Ключевые слова:
эффективная теплопроводность, контактное термосопротивление, композит, матрица, включение с оболочкой, обобщенное приближение эффективного поляИнформация о финансировании
Работа выполнена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН на 2026 г., № госрегистрации 125011200153-3.
Библиографические ссылки
- Every, A.G., Tzou, Y., Hasselman, D.P.H., Raj, R., The effect of particle size on the thermal conductivity of ZnS/diamond composites. Acta Metall. Mater., 1992, vol. 40, no. 1, pp. 123–129. DOI: 10.1016/0956-7151(92)90205-S
- Devpura, A., Phelan, P.E., Prasher, R.S., Size effects on the thermal conductivity of polymers laden with highly conductive filler particles. Microscale Thermophysical Engineering, 2001, vol. 5, iss. 3, pp. 177–189. DOI: 10.1080/108939501753222869
- Kidalov, S.V., Shakhov, F.M., Thermal conductivity of diamond composites. Materials, 2009, vol. 2, pp. 2467–2495. DOI: 10.3390/ma2042467
- Pietrak, K., Wiśniewski, T.S., Methods for experimental determination of solid-solid interfacial thermal resistance with application to composite materials. J. of Power Technologies, 2014, vol. 94, no. 4, pp. 270–285.
- Pietrak, K., Kubiś, M., Langowski, M., Kropielnicki, M., Wultański, P., Effect of particle shape and imperfect filler-matrix interface on effective thermal conductivity of epoxy-aluminum composite. Composites Theory and Practice, 2017, no. 4, pp. 183–188. DOI: 10.5281/zenodo.1188082
- Капица, П.Л., Исследование механизма теплопередачи в гелии-II. ЖЭТФ, 1941, т. 11, с. 1. [Kapitza, P.L., The study of heat transfer in Helium-II. J. Phys. USSR, 1941, vol. 4, p. 181. (in Russian)]
- Колесников, В.И., Теплофизические процессы в металлополимерных трибосистемах. Наука, Москва, 2003. [Kolesnikov, V.I., Teplofizicheskiye protsessy v metallopolimernykh tribosistemakh = Thermophysical Processes in Metal-Polymer Tribosystems. Nauka, Moscow, 2003. (in Russian)]
- Wait, J.R., Geo-Electromagnetism. Academic Press, New-York, London, 1982.
- Hasselman, D.P.H., Johnson, L.F., Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance. J. Compos. Mater., 1987, vol. 21, iss. 6, pp. 508–515. DOI: 10.1177/002199838702100602
- Benveniste, Y., Miloh, T., The effective conductivity of composites with imperfect thermal contact at constituent interfaces. Int. J. Eng. Sci., 1986, vol. 24, no. 9, pp. 1537–1552. DOI: 10.1016/0020-7225(86)90162-X
- Benveniste, Y., Effective thermal conductivity of composites with a thermal contact resistance between the constituents: nondilute case. J. Appl. Phys., 1987, vol. 61, no. 8, pp. 2840–2843.
- Maxwell Garnett, J.C., Colours in metal glasses and in metallic films. Phil. Trans. R. Soc., 1904, vol. 203, pp. 385–420.
- Колесников, В.И., Бардушкин, В.В., Лавров, И.В., Сычев, А.П., Яковлев, В.Б., Обобщенное приближение эффективного поля для неоднородной среды с включениями в оболочке. Доклады Академии наук, 2017, т. 476, № 3, с. 280–284. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Lavrov, I.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B., A generalized effective-field approximation for an inhomogeneous medium with coated inclusions. Doklady Physics, 2017, vol. 62, no. 9, pp. 415–419. DOI: 10.1134/S1028335817090087] EDN: ZEIMPF DOI: 10.7868/S0869565217270081
- Лавров, И.В., Кочетыгов, А.А., Бардушкин, В.В., Сычев, А.П., Яковлев, В.Б., Прогнозирование эффективной теплопроводности многокомпонентных трибокомпозитов с учетом контактного термосопротивления между включениями и матрицей. Вестник машиностроения, 2020, № 5, с. 36–40. [Lavrov, I.V., Kochetygov, A.A., Bardushkin, V.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B., Effective thermal conductivity of composites with contact thermal resistance between the inclusions and the matrix. Russian Engineering Research, 2020, vol. 40, no. 8, pp. 622–627. DOI: 10.3103/S1068798X20080134] EDN: PXMLJM DOI: 10.36652/0042-4633-2020-5-36-40
- Лавров, И.В., Кочетыгов, А.А., Бардушкин, В.В., Яковлев, В.Б., Моделирование эффективной теплопроводности волокнистых композитов с учетом контактного термосопротивления между включениями и матрицей. Тепловые процессы в технике, 2021, т. 13, № 3, с. 135–144. [Lavrov, I.V., Kochetygov, A.A., Bardushkin, V.V., Yakovlev, V.B., Simulation of the effective thermal conductivity of fibrous composites taking into account contact thermal resistance between inclusions and matrix. Teplovyye protsessy v tekhnike = Thermal Processes in Engineering, 2021, vol. 13, no. 3, pp. 135–144. (in Russian)] EDN: ZJVVXR DOI: 10.34759/tpt-2021-13-3-135-144
- Карташов, Э.М., Кудинов, В.А., Аналитические методы теории теплопроводности и ее приложений. ЛЕНАНД, Москва, 2018. [Kartashov, E.M., Kudinov, V.A., Analiticheskiye metody teorii teploprovodnosti i yeye prilozheniy = Analytical Methods of the Theory of Heat Conduction and its Applications. LENAND, Moscow, 2018. (in Russian)]
- Григорьева, И.С., Мейлихова, Е.З. (под ред.), Физические величины: Справочник. Энергоатомиздат, Москва, 1991. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.), Fizicheskie velichiny = Physical Quantities. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (in Russian)]
- Сычев, А.П., Лавров, И.В., Бардушкин, В.В., Физические и механические свойства неоднородных сред с вложенной микроструктурой (теория и моделирование). ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2022. [Sychev, A.P., Lavrov, I.V., Bardushkin, V.V., Fizicheskiye i mekhanicheskiye svoystva neodnorodnykh sred s vlozhennoy mikrostrukturoy (teoriya i modelirovaniye) = Physical and Mechanical Properties of Inhomogeneous Media with Embedded Microstructure (Theory and Modeling). SSC RAS, Rostov-on-Don, 2022. (in Russian)] EDN: UEVQJA
- Ли, Г., Невилл, К., Справочное руководство по эпоксидным смолам. Энергия, Москва, 1973. [Lee, H., Neville, K., Handbook of Epoxy Resins. McGraw-Hill, New-York, 1967, XXXVIII.]
Скачивания
Даты
Поступила в редакцию
Принята к публикации
Публикация
Как цитировать
Лицензия
Copyright (c) 2026 Лавров И.В., Бардушкин В.В., Сычев А.П., Кочетыгов А.А.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
