ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

​THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE THERMAL CONDUCTIVITY OF COMPOSITE MATERIALS

Manakhov Mikhail Dmitrievich

Student, Institute of Cyber-Physical Systems, State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, St. Petersburg

Gorban Roman Sergeevich

Student, Institute of Cyber-Physical Systems, State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Исследование влияния температуры на теплопроводность композиционных материалов раскрывает сложные взаимосвязи между структурой, фазовым составом и теплопереносом. При повышении температуры доминирующие механизмы теплопроводности (фононный и электронный) претерпевают изменения из-за усиления рассеяния носителей на границах раздела фаз и дефектах. Экспериментальные данные показывают нелинейные зависимости для полимерных и металлических композитов, что критично для проектирования теплоотводящих систем в электронике и аэрокосмической отрасли.

Теплопроводность композиционных материалов определяет их эффективность в теплообменных приложениях, включая радиаторы, термоинтерфейсы и элементы силовой электроники. В отличие от однородных материалов, композиционные сочетают матрицу (полимерную, металлическую) и разные наполнители, создавая гетерогенные системы. Температура модифицирует взаимодействие между компонентами, влияя на теплоперенос через изменение подвижности фононов, электронной проводимости и состояния межфазных границ.

ABSTRACT

The study of the influence of temperature on the thermal conductivity of composite materials reveals complex relationships between structure, phase composition, and heat transfer. As temperature increases, the dominant mechanisms of thermal conductivity (phononic and electronic) undergo changes due to enhanced carrier scattering at phase interfaces and defects. Experimental data show nonlinear dependencies for polymer and metal composites, which is critical for designing heat dissipation systems in electronics and aerospace applications.

The thermal conductivity of composite materials determines their efficiency in heat exchange applications, including heat sinks, thermal interfaces, and power electronics components. Unlike homogeneous materials, composites combine a matrix (polymer or metal) with various fillers, creating heterogeneous systems. Temperature modifies the interaction between components, affecting heat transfer by altering phonon mobility, electronic conductivity, and the state of interfacial boundaries.

Ключевые слова: теплопроводность, композиционные материалы, температурная зависимость, фононное рассеяние, электронный перенос тепла, полимерные композиты, металлические композиты, термическое сопротивление

Keywords: thermal conductivity, composite materials, temperature dependence, phonon scattering, electronic heat transfer, polymer composites, metal matrix composites, thermal resistance

1. Факторы влияния температуры на теплопроводность.

1.1. Роль фононного рассеяния.

В полимерных композиционных материалах (например, полипропилен с нитридом бора) теплоперенос осуществляется преимущественно фононами. При повышении температуры:

• Усиливается ангармоничность колебаний кристаллической решетки, снижающая среднюю длину свободного пробега фононов.
• На границах «матрица–наполнитель» возникает термическое сопротивление (эффект Капицы), особенно выраженное при >100°C. В композитах силикон–нитрид бора рост температуры с 20°C до 150°C уменьшает теплопроводность на 15–20% из-за деформации полимерных цепей и нарушения перколяционных сеток.

1.2. Электронный вклад в металлических композиционных материалах.

В системах Al–SiC теплопроводность λ сочетает электронный и фононный механизмы:

,

где:  — объемная доля наполнителя;  — теплопроводность наполнителя; — теплопроводность матрицы;  — эмпирический коэффицент температурной деградации (зависит от системы);  — отклонение температуры от опорной.

При 400°C λ падает на 25% из-за роста дефектности границ SiC-Al и окисления матрицы.

2. Экспериментальные зависимости

2.1. Полимерные композиты

• Порог перколяции: Для полипропилена с нитридом бора λ достигает максимума (4.5 Вт/м·К при 25°C), но снижается до 3.2 Вт/м·К при 200°C из-за разрыва теплопроводящих кластеров.
• Анизотропия: в углеродных волокнах ориентация вдоль теплового потока повышает λ в 2 раза, однако температурная деформация матрицы ослабляет этот эффект >150°C

2.2. Металлические композиты

В Al–SiC наблюдается немонотонность:

• Пик λ при 150–200°C (190 Вт/м·К) связан с релаксацией напряжений.
• Спад >250°C обусловлен дифференциальным ТКЛР (Температурный Коэффициент Линейного Расширения) компонентов, генерирующим микротрещины

ТКЛР (α) — это физическая величина, характеризующая изменение линейных размеров материала при нагреве или охлаждении.

Формула для изотропных материалов:

где:  — исходная длина образца;  — изменение длины;  — изменение температуры.

                                                           Таблица 1

Температурная зависимость λ для композитов

3. Практические аспекты проектирования

• Многослойные структуры: Чередование слоев с разнонаправленными волокнами (например, [30°/−45°]) компенсирует температурные деформации. Эффективная теплопроводность  такой структуры вдоль направления наслоения часто рассчитывается по правилу смешивания для параллельного соединения:

где:  — теплопроводность i-го слоя; — толщина i-го слоя;

 — общая толщина слоев.

• Термообработка: Вакуумный отжиг Al–SiC при 630°C снижает дефектность интерфейсов, повышая λ на 12%.
• Наполнители: Нанотрубки с малым диаметром (9 нм) чувствительны к температуре из-за дефектов, предпочтительны частицы >20 нм.

Заключение

Температурное воздействие на теплопроводность КМ определяется конкуренцией между активацией новых каналов теплопереноса и деградацией структуры. Для полимерных систем критичен выбор наполнителя с высокой стойкостью к термоциклированию (нитрид бора, крупные УНТ), в металлических композиционных материалах ключевую роль играет совместимость ТКЛР компонентов.

Список литературы:

1. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш. Зависимость теплопроводности композиционного материала на основе силикона от объемного содержания нитрида бора // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т.59. №4. С.317–322. DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-4-317-322.
2. Няфкин А.Н. и др. Исследование влияния вакуумной термической обработки на теплофизические свойства композиционного материала системы Al–SiC // Proceedings of VIAM. 2020. №11. С.60–67. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-11-60-67.
3. Бочкарева С.А. и др. Влияние теплопроводности сопрягаемых материалов на интенсивность изнашивания полимер-полимерной пары трения // Механика композитных материалов. 2022. Т.58. №3. С.437–454.