【摘 要】
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木质材料作为一种可持续发展的天然绿色材料而被广泛应用于各个领域,但由于较低的导热性,限制了其作为导热材料的使用,而低熔点合金(LMA)具有较高的导热性和较低的熔点,因此,为了改善木材的导热性能,可将环境友好型的低熔点合金浸渍到木材基体中,从而形成木基金属功能复合材料。然而,未经处理的木材基体渗透性有待提高,本论文以经过高强微波处理的辐射松膨化木为基体,采用不同的浸渍方法对膨化木进行处理,制备的微波
【基金项目】
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中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金面上项目“电热实木复合地板均匀高效发热技术及其性能调控”(项目编号:CAFYBB2016MB001);
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木质材料作为一种可持续发展的天然绿色材料而被广泛应用于各个领域,但由于较低的导热性,限制了其作为导热材料的使用,而低熔点合金(LMA)具有较高的导热性和较低的熔点,因此,为了改善木材的导热性能,可将环境友好型的低熔点合金浸渍到木材基体中,从而形成木基金属功能复合材料。然而,未经处理的木材基体渗透性有待提高,本论文以经过高强微波处理的辐射松膨化木为基体,采用不同的浸渍方法对膨化木进行处理,制备的微波膨化木基金属复合材料(WMC)不仅具有较高的导热性,而且填充在宏观裂缝处的LMA也为热量传递提供路径。文中系统地研究了WMC的复合机理并对其各项性能进行分析,利用软件建立WMC细胞的微尺度导热模型,从微观尺度分析其热传递机理,同时也从宏观层面对WMC的传热特性进行了研究,形成较为系统地微波膨化木基金属复合材料的热传递机制。主要研究内容和结论如下:(1)采用高压浸渍法对三种类型的膨化木进行LMA浸渍处理,将膨化木放入高温高压设备中进行浸渍,浸渍压力2 MPa、时间1 h、温度145°C,通过扫描电镜观察WMC的微观结构,发现管胞细胞腔及纹孔等细胞空隙中充满LMA,EDS能谱表明LMA的成分为锡和铋。正因为LMA在膨化木中的填充,使得WMC的密度、抗弯强度、抗压强度、导热系数和传热性能较基材均增加,WMC Ⅰ的密度和抗弯强度分别为基材的6.1倍和3.8倍,WMC Ⅲ的抗压强度和导热系数分别为基材的2.2倍和28.5倍,且WMC的抗压强度和抗弯强度均比低熔点合金高,而导热系数最高可达到3.42 W/(m·°C)。(2)基于制备出的WMC,利用软件建立WMC管胞的微尺度传热模型,对模型与试验测试的两种温度进行相关性分析,发现呈现良好的线性关系(R2=0.97)。通过改变单个WMC管胞的形状,探究管胞横截面面积对传热性能的影响,发现WMC的平均温度和温度变化率均随横截面面积的增加而增加,而热流密度和纵向传热时间均随着面积的增加而减少。热量沿着WMC管胞纵向传热的速率要低于垂直于管胞的传热速率,并且距离受热面越远,管胞内部横截面上的平均温度越低。WMC管胞的温度变化率和传热时间均随着施加温度的升高而增加,当施加温度从30℃升高到70℃时,温度变化率提高了381.8%,传热时间增加了25.2%。(3)采用真空浸渍法,对三种类型的膨化木在不同真空度、不同浸渍时间下进行处理,通过增重率确定最佳工艺条件为:真空度0.1 MPa、处理时间16 h、Ⅲ型膨化木。此种方法处理的WMC中绝大多数LMA并未进入木材管胞等组织中,仅填充在膨化木的缝隙处,并且LMA与膨化木缝隙处木材表面凹凸不平的高低沟槽、孔穴等结构之间以“机械互锁”的方式形成啮合结构,使其在缝隙处的结合更加紧密,动态机械力学性能分析也表现出WMC比膨化木具有更高的贮存模量和损耗模量。研究表明LMA与膨化木间的结合方式为物理结合,未发生化学反应,LMA浸渍处理并未改变膨化木基体的晶胞参数,即没有破坏木材原有的物理结构,但WMC的结晶度略有增加,高温处理使WMC的热稳定性较基材和膨化木有所提高,表面接触角也有所增加。通过CT扫描对LMA在WMC中的空间分布位置进行了可视化分析,并利用CT图像重构出WMC的三维渲染切割图,展示了其独特的纹理。(4)研究WMC的宏观传热机理,采用温度记录仪和红外热成像仪对WMC的传热性能进行分析。在不同纹理方向和不同热辐射温度下,WMC的稳定最高温度、升温速率和降温速率均比相应的基材高,随着WMC 1到WMC 3的变化,WMC的稳定最高温度、升温速率和降温速率均不断下降,而温度不均匀度随着时间的延长呈现先增大后减小的趋势;随着加热温度从30℃增加到70℃,WMC 1的稳定最高温度、升温速率、降温速率以及温度不均匀度均不断上升;同样地,随着受热面积的增加,WMC的稳定最高温度、升温速率以及降温速率均略微增加,当受热面积从10 cm2增加到20 cm2时,稳定最高温度升高了1.19℃、升温速率增加了0.0018℃/s、降温速率增加了0.0005℃/s。
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