颗粒填充复合材料静态电磁特性的理论研究

发布时间：2020-04-25 18:59

【摘要】：人类社会面临着严重的能源危机以及传统能源带来的环境问题。研究先进的电能和磁能存储技术来实现能量的节约和可持续使用具有重要的理论研究意义和实用价值。介电储能技术在现代能源领域中具有广泛的应用需求和市场应用前景,已成为诸多储能技术研究中的热点问题之一,介电储能复合材料的研究和制造是介电储能的核心技术之一。复合材料等效电磁参数是复合材料分析和设计中的重要物性参数,因此,对颗粒填充复合材料等效电磁参数开展理论研究对工程应用具有理论指导意义。论文的主要研究工作如下:(1)从球形颗粒填充复合材料的微观结构出发,对颗粒填充复合材料进行物理建模,获得了静态场条件下颗粒填充多元(多相)复合材料的电磁场方程;综合分析了颗粒填充复合材料电磁方程的求解方法、等效电磁参数计算方法,分析讨论了球形颗粒填充复合材料模型的填充相颗粒半径、颗粒间距与填充相体积比率的关系,获得球形颗粒均匀填充的两相复合材料最大体积填充率。(2)对于球形颗粒填充两相复合材料,提出利用分离变量法求解Laplace方程,获得了静电场模型条件下两相复合材料中电场强度的理论解;分别基于平均场法和平均能量法,获得了球形颗粒填充两相复合材料等效介电常数的理论表达式,并将这两种方法的理论计算结果与文献报道的4种颗粒填充复合材料的实验测量数据、部分具有较高计算精度的其它理论公式的计算结果进行了比较,结果表明:本文基于平均能量法所获的颗粒填充复合材料等效介电常数理论公式的计算结果比其它理论公式的计算结果更接近实验测量值,与实验测量值的吻合度最高,平均能量法所获得的等效介电常数理论公式可用于预测复合材料的等效介电常数,指导复合材料的设计与制造。利用获得的等效介电常数理论公式分析了填充相颗粒介电常数、体积比对复合材料等效介电常数和储能性能的影响,结果表明:一方面,当填充相的介电常数增大到某一阈值后,复合材料的电能储能密度趋于相对稳定,几乎不再随着填充相介电常数的变化而变化;另一方面,等效介电常数适中的某些复合材料具有更高的电能储能密度。(3)对于含界面相的球形颗粒填充(三相)复合材料,提出利用分离变量法求解Laplace方程,获得了静电场模型条件下各组分中电场强度的理论解;分别基于平均场法和平均能量法,获得了含界面相的球形颗粒填充(三相)复合材料等效介电常数的理论表达式,并通过与文献报道的实验测量数据的比较验证平均能量法所获的含界面相的颗粒填充(三相)复合材料等效介电常数理论公式的正确性、准确性和有效性。利用所获得的理论公式,分析了金属纳米颗粒的尺寸效应及界面相对复合材料等效介电常数和电能储能性能的影响,计算结果与实验结果相吻合,展示了本文所获得的颗粒填充三相复合材料等效介电常数理论计算公式的优异性。(4)对于球形颗粒填充两相复合磁性材料,提出利用分离变量法求解Laplce方程,获得了静磁场模型条件下两相复合材料中磁场强度的理论解;分别基于平均场法和平均能量法,获得了球形颗粒填充两相复合磁性材料等效磁导率的理论表达式,并将两种方法的理论结果与文献报道的实验测量数据、部分具有较高计算精度的理论公式的计算结果进行了比较,验证了本文所提出和建立的颗粒填充两相复合磁性材料物理模型的正确性和平均能量法所获的等效磁导率理论计算公式的准确性和有效性,分析了填充相颗粒磁导率和体积比对复合材料等效磁导率和磁能储能性能的影响。在体积比一定的条件下,通过提高填充相的磁导率的方式,并不一定能够制作出具有高磁能储能密度的复合材料,等效磁导率适中的复合材料具有较高的磁能储能密度。如果填充相颗粒为超导颗粒,复合材料的磁能储能密度将会比基体相介质的磁能储能密度更低,填充超导颗粒不能提高复合材料的磁能储能密度。(5)对于含界面相的球形颗粒填充(三相)磁性复合材料,利用分离变量法获得了静磁场模型条件下各组分中磁场强度的理论解;分别基于平均场法和平均能量法,获得了含界面相的球形颗粒填充(三相)复合磁性材料等效磁导率的理论表达式。运用所获得的理论公式,讨论了填充相纳米颗粒尺寸效应及界面相对复合材料等效磁导率及磁能储能性能的影响、极端情况下纳米颗粒界面相对复合材料等效磁导率的影响、超导纳米颗粒对复合材料等效磁导率的影响。
【图文】：

形态图,复合材料,形态,组分

1.2.1 复合材料复合材料定义为“用经过选择的、含一定数量比的两种或者两种以上的组分(或称祖元)，通过人工复合组成的多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料”。即“通过人工复合”和“有特殊性能”是复合材料的主要特点[46]。由于复合材料是一种多相材料，它的设计自由度很大，可以通过搭配组分和改变各组分的体积比以满足所需的性能要求。复合材料具有质量轻、强度高、易成型、耐腐蚀等单一组分材料没有的优点，目前已与金属、无机非金属、高分子并列为四大材料[46]。复合材料已大量生产并被广泛应用于新能源、航空航天、电子、汽车等多种领域，，成为现代结构设计和生产不可或缺的材料[47]。复合材料由两种及两种以上的组分以及各组分之间的界面构成。组份材料指的是填充相和基体相，也称为增强相和背景相。填充相和基体相之间的交界区域具有特殊的结构与组成，即不同于填充相，也不同于基体相，称之为界面相。图 1.1 为五种形态的填充相复合材料示意图[48]。

电流分布,外加电场,介质,外场

介质内的各分子内部的粒子作无规则的热运动，因此分子是呈中性的。因此，当没有外场的情况下，介质内部一般不会出现宏观的电荷电流布，介质内部的宏观电磁场也为零。但有外场存在时，介质内部的带电粒子由受到外场的作用，正负电荷发生相对位移，有极分子（原来正负电中心不重合分子）的取向以及分子电流的取向就会呈现一定的规律性，这就是介质的极化磁化现象。由于极化和磁化的原因，介质内部及表面上会出现宏观束缚电荷和化电流。这些宏观束缚电荷和磁化电流反过来又激发起附加的宏观电磁场，与来的外场叠加在一起而得到介质内的总电磁场。介质内的宏观电磁现象就是些电荷电流分布和电磁场之间相互作用的结果[73]。总而言之，在电场作用下，介质对外形成了宏观偶极矩[74]，极化是电介质材料拥有介电性能的主要原因，化的实质是产生偶极子，如图 1.2 所示。用电极化强度矢量来描述宏观电偶极矩分布，它等于物理小体积内的总偶极矩与之比，如公式（1.3），其中为介质内第个分子的电偶极矩[73]。∑ （1.3）
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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