ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МИКРОНАПОЛНИТЕЛЯ НА ТЕПЛОПРОВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Аннотация
Композиционные материалы с полимерной матрицей, модифицированные дисперсными включениями, являются перспективными конструкционными и функциональными материалами. Ключевым параметром, определяющим их эксплуатационные характеристики, является эффективный коэффициент теплопроводности, который зависит от морфологии наполнителя. Одной из центральных задач при проектировании таких материалов является определение зависимостей эффективного коэффициента теплопроводности от формы, размеров, пространственного распределения и концентрации стеклянных микросфер. В настоящем исследовании методом численного моделирования решается задача теплопереноса в гетерогенном материале. Выбор данного типа наполнителя обусловлен значительной разницей в коэффициентах теплопроводности между микросферами и полимерной матрицей. Использовались модели с одной и десятью частицами, хаотически распределенными в полимерной матрице. Предполагается идеальный тепловой контакт матрицы и включений, имеющих одинаковый размер без учета разрушений частиц. Смоделирован процесс стационарной теплопроводности в слое композита в условиях одностороннего нагрева. Численное моделирование проводилось с использованием метода конечных элементов. Представлены результаты расчета эффективной теплопроводности полимерных материалов, наполненных полыми стеклянными микросферами. Проведено сравнение результатов расчета моделей с одиночной частицей и с множеством частиц. Показано влияние концентрации наполнителя на теплофизические свойства наполненного полимера, а также выявлено влияние геометрических размеров, толщины стенки и диаметра, стеклянных микросфер на изменение эффективной теплопроводности материала. Уменьшение толщины стеклянной полой микросферы приводит к уменьшению эффективного коэффициента теплопроводности. Результаты моделирования могут быть использованы для прогноза эффективного коэффициента теплопроводности полимерного материала, модифицированного различными частицами, что в свою очередь позволит создавать функциональные материалы с заданными свойствами.
Для цитирования:
Каблов В.Ф., Лапшина С.В., Гайдадин А.Н., Гуревич Л.М. Исследования влияния микронаполнителя на теплопроводные свойства полимерных композиций. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 9. С. 145-153. DOI: 10.6060/ivkkt.20266909.6988.
Литература
Pobedrya B.E. Mechanics of Composite Materials. M.: Izd. Mosk. Univ. 1984. 335 p. (in Russian).
Kerber M.L. Polymer Composite Materials: Structure, Properties, Technology. M.: Izd. TsOP Professiya. 2014. 592 p. (in Russian).
Christensen R. Introduction to Composite Mechanics. M.: Mir. 1982. 336 p. (in Russian).
Lipin A.G., Lipin A.A. Energy- and resource-saving processes involving the polymer phase. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 7. P. 203-213 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236607.6836j.
Samoryadov А.V., Kalugina E.V., Usenko E.S., Parshi-kov Yu.G., Bitt V.V. Research the properties of composite materials based on high temperature thermoplastics. Ros. Khim. Zh. 2025. V. 69. N 1. P. 80-87. DOI: 10.6060/rcj.2025691.15.
Hong He, Renli Fu, Yanchun Han. Thermal conductivity of ceramic particle filled polymer composites and theoretical predictions. J. Mater. Sci. 2007. V, 42. N 16. P. 6749–6754. DOI: 10.1007/s10853-006-1480-y.
Grinchuk P., Akulich A., Shevtsov V., Chernukho E., Stetyukevich N., Khilko M. Coatings with the Addition of Hollow Glass Microspheres. Nauka Innovatsii. 2017. N 11. P. 16-20 (in Russian).
Mishra D., Satapathy A. A study on thermal and dielectric characteristics of solid glass microsphere filled epoxy composites. In: Polymer Science Book Series. N 1: Research Advances, Practical Applications and Educational Aspects. Ed. by A. Méndez-Vilas, A. Solano. Badajoz, Spain: Formatex Research Center. 2016. P. 13–28.
Reine B., Di-Tomaso J., Dusserre G., Olivier P.A. Study of thermal behavior of thermoset polymer matrix filled with micro and nanoparticles. Proc. of the 15th European Conference on Composite Materials. Venice, Italy, 24–28 June 2012. P. 1–9.
Kochetov R. Modeling of the thermal conductivity in polymer nanocomposites and the impact of the interface between filler and matrix. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. N 39. P. 1–12. DOI: 10.1088/0022-3727/44/39/395401.
Andreev A.M, Azizov A.Sh, Bezborodov A.A. Influence of nano-modifiers on electrical properties of epoxy resins and impregnated insulating composites. Proc. 22 Nordis Insulation Symp. 13 –15 June 2011. Tampere. 2011. P. 133–135.
Pugachev O.V., Khan Zo Tun. Finding the effective thermal conductivity of a composite by the method of moments. Vestn. MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Estestv. Nauki. 2016. N 4. P. 28–39 (in Russian). DOI: 10.18698/1812-3368-2016-4-28-39.
Volkov D.P., Uspenskaya M.V. Thermal conductivity of filled polymers. Izv. Vuzov. Priborostroenie. 2010. V. 53. N 4. P. 49–51.
Misnar A. Thermal conductivity of solids, liquids, gases, and their compositions. M.: Mir. 1968. 464 p. (in Rus-sian).
Dulnev G.N., Zarichnyak Yu.P. Thermal Conductivity of Mixtures and Composite Materials. L.: Energiya. 1974. 264 p. (in Russian).
Shermergor T.D. Theory of Elasticity of Microheteroge-neous Media. M.: Nauka. 1977. 400 p. (in Russian).
Zarubin, V.S., Kuvyrkin, G.N., Savelyeva, I.Yu. Effec-tive Thermal Conductivity of a Composite with Spherical Inclusions. Teplovye Protsessy Tekhnike. 2012. N 10. P. 470–474 (in Russian).
ANSYS FLUENT, https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent.
ABAQUS, https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus/.
Yakovlev M.Ya., Elfimov N.S., Levin V.A. Modeling of Nonlinear Effective Thermal Conductivity Using the Fidesis Software Package. Chebyshev. Sb. 2024. V. 25. N 4. P. 2–22 (in Russian). DOI: 10.22405/2226-8383-2024-25-4-308-328.
Calculix, https://calculix.de/.
Soloviev S.A., Solovieva O.V., Akhmetova I.G., Vankov Yu.V., Shakurova R.Z. Numerical study of thermal conductivity of composite thermal insulation material with microgranules. Izv. Vuzov. Problemy Energetiki. 2022. V. 24. N 1. P. 86-98 (in Russian). DOI: 10.30724/1998-9903-2022-24-1-86-98.
Stepanov V.V., Petrenya Yu.K., Andreev A.M., Kostelov A.M., Mannanov E.R., Talalov V.A. Influence of Component Properties on the Effective Thermal Conductivity of Polymer Composite Materials. Nauch.-Tekhn. Vedom. SPbGPU. Fiz-mat. Nauki. 2018. V. 11. N 4. P. 85–94 (in Russian). DOI: 10.18721/JPM.11408.
