玻璃微珠壁厚对水泥基复合材料导热系数的影响

侯 风 党亚倩

(郑州工业应用技术学院 河南 郑州 450000)

玻璃微珠壁厚对水泥基复合材料导热系数的影响

侯 风 党亚倩

(郑州工业应用技术学院 河南 郑州 450000)

本文依据热传导理论及有限单元法，通过建立中空玻璃微球填充水泥复合材料的有限元模型，利用有限元法来研究其热行为。通过设定模型边缘的温度条件，采用有限元软件ABAQUS模拟二维单元的热传递。研究了微珠壁厚对复合材料有效热导率的影响。数值计算结果表明，当中空玻璃微珠的体积分数、水泥基体导热系数、微珠导热系数一定时。微珠水泥基复合材料的等效导热系数Keff随着微珠壁厚的增大而呈线性的增大。

中空玻璃微珠；水泥基；复合材料；热学性能

一、简介

水泥基材料具有良好的使用性能、加工性能、价格优廉、易就地取材等特点，是一种应用广泛的建筑材料之一，但是水泥材料的导热系数比较大，保温性差。中空玻璃微珠是一种内含惰性气体具有导热系数低、隔热性能好、耐高温、密度低等优点。预想将中空玻璃微珠填充到水泥中来有效的降低复合材料的导热系数。等效导热系数是衡量材料隔热性能的重要参数之一。本文研究的重点是考察中空玻璃微珠填充水泥中形成复合材料。通过有限元分析软件来研究中空玻璃微珠壁厚的变化对复合材料的导热系数的影响。

二、有限元分析模型

假定微珠在水泥基体中呈空间均匀分布，建立一个单元传热的几何模型。中空玻璃微珠水泥基复合材料属于三元复合体系，即水泥基相、微珠壁相和惰性气体相。热量自外传入水泥基，当遇到中空玻璃微珠的时候，由于其导热系数非常小，小部分热量通过玻璃微珠传导，而大部分热量则绕过玻璃微珠传递。由于玻璃微珠的导热系数非常小，微珠内含有惰性气体，热量在微珠水泥基复合材料中的传热路径变长并且复杂化，从而导致微珠水泥基复合材料的导热性能下降，增强了微珠水泥基复合材料的隔热性能。图一显示了热量在微珠水泥基复合材料中的传热路径。因此，由图一可以看出热量在玻璃微珠水泥基复合材料传递路径主要有三种：(1)水泥基材料与微珠球壁的热传导;(2)微珠球壁与惰性气体的热传导；(3)热量沿着微珠球壁表面的热传导。

图一：微珠水泥基复合材料热量传递路径

玻璃微珠为中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司产品，H-60型，粒径范围2～76um，密度为0.6099g/cm3。假定微珠在水泥基材料中均匀分布，且处于一个传热单元的中心，则可建立复合材料中一个传热单元的几何模型。该几何模型是正方形。把正方形作为水泥基，以圆心位于正方形中心的圆作为玻璃微珠的内部的惰性气体。以一圆环作为玻璃微珠的球壁。对于稳态传热，一般只需要定义各材料的导热系数。输入相关的热学参数，材料一为水泥基体，导热系数为0.1465；材料二为玻璃微珠球壁导热系0.17934材料三为玻璃微珠内部的惰性气体，导热系数为0.0228。

(1)

其中R为玻璃微珠的内径，b为正方形的边长，ф为玻璃微珠填充水泥基的体积分数。

根据玻璃微珠填充水泥基的体积分数，由公式(1)推算出单元的边长，由几何模型的尺寸数据，输入到abaqus创建几何模型。热量自左而右的传递。左面施加边界条件，施加温度荷载30℃，右面施加边界条件，施加温度荷载20℃，上下两边界设为绝热边界条件。

三、数值分析

(一)温度场

使用abaqus进行求解，然后进入后处理器，绘制几何模型传热单元的温度云图，如图二所示。温度云图更加形象、客观的说明了几何模型单元的温度场的分布。从图二可以看出来中玻璃微珠内的温度变化比微珠外快。为了真实的反映模型单元中热量流动的方向和大小，用abaqus软件绘制出单元内的热流矢量图，如图三所示。箭头的方向表示热流的方向，箭头的长短表示热流的强弱。从图三可以看出来，热量遇到了中空玻璃微珠后被分流了，大部分热量沿着玻璃微珠球壁流动，小部分进入了玻璃微珠内部进行流动。

图二：温度云图

图三：单元内热流矢量图

(二)玻璃微珠壁厚的变化对复合材料导热系数的影响

型号为H60的中空玻璃微珠，在填充体积分数为30%不变的情况，热学参数和边界还同上述的一致的条件下，玻璃微珠的壁厚分布为1.1095mm，1.2095mm,1.3095mm，1.4095mm,1.5095mm时，运用同样的方法分别作出几何模型，划分网格并求解，计算出相应的等效导热系数。

四、结论

当中空玻璃微珠的体积分数、水泥基体导热系数、微珠导热系数一定时。微珠水泥基复合材料的等效导热系数Keff随着微珠壁厚的增大而呈线性的增大。

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[2]卢子兴，王嵩，李忠明，卢艾，刘静.空心微珠填充聚氨酯复合泡沫塑料的宏、细观力学性能.航空学报,2006,5:799-804

[3]林碧兰,路新瀛,陈勤.空心微珠/环氧树脂高强浮力材料的性能及断裂分析.复合材料学报,2011,3:6-12

侯风，郑州工业应用技术学院，研究领域：水泥基复合材料；党亚倩，郑州工业应用技术学院，助教，研究领域：岩土工程。