聚合物基复合材料导热性能的数值模拟研究

论文摘要

聚合物基粒子填充复合材料结合了聚合物基体和填充粒子的优越物理性能,得到了深入研究与广泛应用。导热复合材料的性能一方面取决于基体和填料自身的属性,另一方面由填料填充体积分数、粒子形状、粒径及粒径分布,填料在基体中的空间分布以及填料与基体的结合程度等多种因素决定。由于体系的复杂性,给理论研究带来了极大的困难,本文用有限元数值模拟方法研究了粒子填充聚合物基复合材料的导热性能与微观结构的关系,特别是为粒子空间分布建模难题提供了一整套可行方案。主要工作内容如下：首先研究了2D建模,通过对电镜照片的处理得到两个参数即稀疏区比重和稀疏区半径,建立了与实际体系相符的具有非均匀粒子分布结构的RVE模型,结果表明：填料用量在宽范围内预测结果与实验值均吻合很好；与均匀分布或随机分布相比,存在稀疏区和富集区的非均匀分布的体系具有更高的热导率。本文重点内容是用3D建模数值模拟,深入研究了粒子空间分布对材料导热性能的影响,探索了有效导热通路形成的必要条件。为了解决任意体积分数、指定空间构型的代表体元(RVE)建模难题,用空间分布势能函数来描述目标空间分布构型,设计了Monte Carlo可控空间分布算法,该算法能够有效生成包含团簇和网链结构的任意空间构型的RVE。模拟研究表明：相同体积分数下,网链构型较团簇构型更能有效地形成导热通路,具有更高的热导率；体积分数对有效导热通路能否形成有重要影响,仅当体积分数大于20%之后,才具备形成有效导热通路的条件；粒子间距只有小于一定水平时,导热通路才能有效形成,随着粒子间距的增加,热导率成指数衰减。一定量的体积分数和较有效的粒子分布是形成有效导热通路的两个必要条件,二者缺一不可。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景
• 1.3 填充型导热复合材料的实验研究
• 1.4 填充型复合材料有效热导率预测理论及模型
• 1.4.1 基本模型—Maxwell模型
• 1.4.2 高填充量的改进模型—Bruggeman模型
• 1.4.3 考虑颗粒形状的模型
• 1.4.4 考虑界面热阻的模型
• 1.4.5 同时考虑粒子形状和界面热阻的模型
• 1.5 有限元计算细观力学基础理论
• 1.5.1 连续介质细观力学的经典理论
• 1.5.2 有限元计算细观力学与几何模型
• 1.6 本课题前期的研究成果
• 1.6.1 复合材料导热性能实验及经典理论成果
• 1.6.2 复合材料导热性能数值模拟研究成果
• 1.7 论文选题的目的、意义和创新
• 第二章 模型建立
• 2.1 实验数据
• 2.1.1 原材料及基本配方
• 2.1.2 加工工艺
• 2.1.3 测试和表征
• 2.2 代表体元（RVE）建模
• 2.3 2D建模
• 2.4 3D建模
• 2.4.1 Monte Carlo可控空间分布算法
• 2.4.2 网格化建模技术
• 2.4.3 三维RVE网格模型建模
• 2.4.4 团簇和网链构型RVE的三维建模
• 2.4.5 空间分布的定量描述
• 2.5 有限元求解等效热导率问题的方法
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 2D模型模拟结果及小结
• 3.1.1 2D模型模拟结果
• 3.1.2 2D模型模拟小结
• 3.2 3D模型结果与讨论
• 3.2.1 单胞RVE模型导热模拟
• 3.2.2 非均匀性与热导率的关系
• 3.2.3 团簇和网链构型与热导率关系的定量分析
• 3.2.4 有效导热通路形成的必要条件
• 第四章 结论
• 第五章 程序
• 5.1 Ansys程序1——生成自由网格
• 5.2 Matlab程序1——Monte Carlo可控空间分布算法
• 5.3 Matlab程序2——定义粒子属性的格子
• 5.4 Ansys程序2——计算热导率
• 参考文献
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 作者和导师简介
• 附录