激光法测试HDPE/MWCNT 复合材料薄膜热导率

     HDPE/MWCNT 复合材料使用的 MWCNT 由成都有机所提供, 长度分布为 20~40 nm. HDPE 与MWCNT在转矩流变仪中加热到 160℃熔融共混, 在同样温度下下经平板硫化机热压成厚度为 100 μm 的薄膜, 再经过 130℃热处理去掉热历史后成为测试样品.采用 Nd:YAG 激光器对试样前表面加热, 激光脉冲宽度为8 ns, 波长为1.06 μm. 采用PV 型碲镉汞(MCT)红外探测器探测试样后表面的温升曲线, 探测器响应时间为 40 ns, 截止波长为12.5 μm. 数据采集由带宽为500 M 的数字记忆示波器(TDS3052B)完成. 整套装置的测量误差小于±5%.

     HDPE/MWCNT 复合材料薄膜的热导率的计算公式为:λ = ρCα , 其中λ是热导率(W·m−1·K−1), C 是比热(J·kg−1·K−1),ρ 为材料密度(kg·m−3)。

    HDPE/MWCNT 复合材料薄膜的热扩散率采用激光脉冲法, 用脉冲激光加热试样的前表面, 根据一维绝热传热方程可推导出试样后表面的无量纲温升曲线。复合材料的密度计算公式为:

     其中 V 是 MWCNT 体积分数(vt%), ρf(=1750 kg·m−3)为 MWCNT 密度; ρP(≈951 kg·m−3) 为 HDPE 的密度。

     HDPE/MWCNT 复合材料薄膜的比热根据科珀-奈曼定律计算得到:

     其中f 为MWCNT 的百分含量, MWCNT 在200 K 以下的比热与石墨的比热非常接近, Cf(= 796 J·kg−1·K−1)为 MWCNT 的室温比热, CP(= 1300 J·kg−1·K−1) 为HDPE 室温下比热.
   下图给出了不同 MWCNT 添加量的HDPE/MWCNT复合材料薄膜热导率的测量结果. 从图3 中可以看出,HDPE/MWCNT 复合材料薄膜的热导率的变化趋势明显分成两个阶段. 在MWCNT 含量小于3.35 vt%(体积百分比)时, 热导率随 MWCNT 含量增加而快速升高;而当 MWCNT 含量高于3.35 vt%时, 热导率随MWCNT 含量增加而升高的速度明显下降.