基于FDTD方法的碳系填充型复合材料的研究

发布时间：2021-06-19 16:42

碳系材料和聚合物具有优势互补的优良特性,聚合物质量轻且易于加工,碳系材料中则大多数都具有高强度的机械性能以及优良的电学性能。不同种类的聚合物的添加也使得复合材料呈现出不同特性,其中碳纳米管作为填料的碳系复合材料是良好的微波吸波材料。但目前大多数关于复合材料的数值计算都是由实验数据出发来分析其相关电磁特性,由具体的色散模型公式入手计算碳系复合材料的电磁特性以及它在微波吸波材料上的应用还很少见到。文章中首先简要叙述了碳纳米管及其复合材料的各项特性并分类叙述了碳纳米管对复合材料的特性改良。第二章则介绍了碳纳米管以及碳纳米管复合材料的性能结构,并给出复合材料介电特性的各项参数随频率变化曲线。第三部分分别给出了时域有限差分方法以及分数阶导数方法,根据分数阶导数方法推导了德拜模型(Debye)、洛伦兹模型(Lorentz)以及德鲁模型(Drude)模型下的场方程及电流迭代式。然后,采用辅助差分方法(ADE-FDTD)验证了推导公式的正确性,通过计算不同厚度的碳系复合材料薄膜算例,计算分析样品厚度对于其微波吸波性能的影响。最后计算附着在SiO2薄膜上的不同厚度的碳系复合材料薄膜的传输系数,进一步的分析在实际应用情况下的复合材料电磁特性。碳纳米管的特殊螺旋型结构使得其具有手性特性,这种特性也使得其具有不同一般材料的电磁波传播特性。本文在基于Cole-Cole色散模型的基础上结合Condon本构关系给出了手性复合材料的电磁场方程。然后,用ADE-FDTD方法验证推导公式的正确性,并用分数阶导数方法计算得到复合材料薄膜的电磁特性参数。通过对计算得到的反射系数,透射系数以及吸收系数分析复合材料的吸波特性以及随频率变化趋势,同时也通过计算空间中的电磁场观察到复合材料的手性所带来的圆二色性以及旋光特性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

文章目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状和趋势

1.2.1 碳纳米管国内外研究现状

1.2.2 碳纳米管复合材料国内外研究现状

1.2.3 复合材料的性能特征

1.3 时域有限差分法的国内外研究现状

1.4 论文内容安排

第二章碳纳米管及其复合材料的基本结构和性能特征

2.1 碳纳米管及其复合材料的结构性能

2.1.1 碳纳米管物理结构及其性能

2.1.2 碳纳米管复合材料性能

2.2 碳纳米管复合材料薄膜的等效介电系数理论

2.3 碳纳米管复合材料的电学特性拟合结果

2.4 本章小结

第三章碳纳米管复合材料的电磁波传播特性研究

3.1 时域有限差分方法介绍

3.2 时域有限差分方法基本理论

3.2.1 Yee元胞和时域有限差分方法的三维公式

3.2.2 数值稳定性

3.2.3 数值色散

3.2.4 吸收边界条件

3.2.5 激励源

3.3 色散介质模型

3.4 分数阶导数方法

3.4.1 Debye模型的分数阶导数方法

3.4.2 Lorentz模型的分数阶导数方法

3.4.3 Drude模型的分数阶导数方法

3.5 分数阶导数方法分析多壁碳纳米管/高密度聚乙烯材料

3.5.1 Cole-Cole模型的分数阶导数方法推导

3.5.2 分数阶导数方法数值计算结果

3.6 小结

第四章手性复合材料的FDTD分析

4.1 手性材料简介

4.1.1 手性材料

4.1.2 本构关系

4.2 分数阶导数方法研究手性复合材料

4.2.1 分数阶导数方法的公式推导

4.2.2 分数阶导数方法的数值计算及分析

4.3 本章总结

第五章总结和展望

5.1 本文工作

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

【参考文献】