弹性导热仿生功能表面制备及流体控制机制研究

作     者：梅浩然 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田丽梅

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：弹性导热仿生功能表面 石墨烯 硅橡胶 减阻 

摘      要：研究表明,海豚柔弹性皮肤和体表温度可协同稳定湍流、减小边界层流体粘性从而实现流体阻力的降低。受上述现象启发,本文提出构建一种弹性与导热兼备的弹性导热仿生功能表面,该表面以具有较好柔弹性的硅橡胶(SR)为基料,以具有高导热性能的石墨烯片层材料(GPL)为填料,采用共混法制备出3种不同石墨烯含量(含量分别为0.18wt%,0.36wt%,0.72wt%)的弹性导热仿生功能表面,简称GPL/SR弹性导热仿生功能表面,并对上述三种不同石墨烯含量的GPL/SR仿生功能表面进行了TEM、SEM、DSC、DTG表征,结果表明不同石墨烯含量下的GPL/SR与硅橡胶(SR)的DSC曲线相似,都只有一个玻璃化转变温度(Tg),一个结晶熔点(Tm),并且其特征峰十分尖锐明显;含量为0.18wt%的GPL/SR其玻璃化转变温度得到降低,并且随着石墨烯添加量的增加玻璃化转变温度又出现升高,可以说明,在本试验制备的方法下,少量石墨烯的添加和分散性较好的情况下,石墨烯改善了硅橡胶(SR)基料的弹性。石墨烯的添加改善了硅橡胶基料的耐高温老化性,3种含量GPL/SR的初始分解温度相比硅橡胶(SR)的初始分解温度均得到了提高,尤其是石墨烯含量为0.36wt%的GPL/SR提高最为明显,较SR两次初始分解温度分别提高了38℃和59℃。此后,对GPL/SR仿生功能表面与硅橡胶(SR)表面的硬度及抗拉性能进行了对比性研究,研究结果表明:GPL/SR仿生功能表面的硬度及弹性随着石墨烯含量的增加而增大;石墨烯含量为0.18wt%的GPL/SR,由于其良好的分散性能及与硅橡胶基材良好的结合性,使得硅橡胶(SR)弹性变形能力增强,其弹性模量相比硅橡胶(SR)得到降低;GPL/SR仿生功能表面的拉伸强度、抗撕裂强度及断裂伸长率较SR均有提高,且石墨烯含量为0.36wt%的GPL/SR仿生功能表面的抗拉伸和撕裂强度达到了最大值。GPL/SR仿生功能表面与硅橡胶(SR)表面导热性能试验表明,3种GPL/SR仿生功能表面导热性能均得到提高,这是由于导热填料改变硅橡胶(SR)依靠声子传递热量的导热机理,使得GPL/SR仿生功能表面依靠导热填料在其内部形成的导热网链实现热量的传递。石墨烯含量为0.72wt%的GPL/SR仿生功能表面,其导热系数较硅橡胶(SR)提高50%。GPL/SR仿生功能表面存在导热填料添加量的阈值,可通过该阈值获得制备弹性导热仿生功能表面所需石墨烯添加量的最优值。通过本文试验分析,导热性最优GPL/SR仿生功能表面的石墨烯添加量为0.36wt%。通过搭建实验台,测试GPL/SR表面温度-液滴在试样表面流速关系,获得弹性导热仿生功能表面对流体的控制机制。GPL/SR仿生功能表面通过其导热性能,改变流体介质的运动粘性,通过试验结果及分析得出液滴运动速度(阻力)的变化存在一个转折平衡温度临界点;在转折平衡温度临界内,随着加热温度的升高弹性导热仿生功能表面可通过导热性控制液滴粘性降低液滴内部的粘性剪切阻力?b,从而获得液滴运动总阻力F的下降,运动速度增加。超过这个临界平衡转折温度点,随着加热温度的继续升高,液滴表面张力下降,液滴在壁面呈现平铺状,与壁面的接触阻力?a急剧增加,当接触阻力?a的增大值高于粘性降低带来的剪切阻力?b的减小值时,总阻力F为增大,其运动速度减小。