石墨烯填充型复合导电材料电渗流特性仿真计算研究
发布时间：2021-09-30 17:06
随着石墨烯填充型导电复合材料在可穿戴电子设备以及机器人领域的不断发展,具有高性能并且低成本的石墨烯填充型导电复合材料逐渐成为材料科学领域的研究重点。由于实验过程中无法对复合材料中的微观导电网络进行精准控制,复合材料体系的精确设计难以实现,但是计算机模拟技术的出现使问题变得简化,通过仿真复合材料内部的微观网络提供详细的微观信息。本文研究石墨烯填充型高分子材料的导电机理,根据渗流理论构建了蒙特卡罗计算模型,并根据石墨烯填料在复合材料中的分布选取了随机数产生方法,构建基于k-d树的最近邻粒子搜索算法以及基于图形理论的导电路径搜索算法。构建了用于对比的圆片模型,根据复合材料中石墨烯的微观结构图构建了方片以及弯曲方片三种石墨烯软壳硬核仿真模型,软壳代表隧道效应导致的导电粒子在不直接接触的情况下导电,并填充到三维代表体积单元中得到石墨烯填充型导电复合材料渗流阈值预测模型。本文基于石墨烯填充型导电复合材料渗流阈值预测的蒙特卡罗模型,分析了石墨烯三种模型的特征参数与复合材料渗流曲线与渗流阈值之间的关联机制,并根据导电网络中连接节点的分析对比了三种模型之间的差异,对比表明使用圆片模拟石墨烯复合材料的渗流...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
近几年石墨烯/聚合物的研究成果Fig1.1Researchresultsofgraphene/polymerinrecentyears
合肥工业大学硕士学位论文4Li[27]等人假设石墨烯是均匀分布在立方体中的理想薄圆板如图1.2（d）所示。采用一个新定义的特定粒子间距来表示电渗流。随后，研究了电渗流与石墨烯的几何结构和体积分数的关系。Baniassadi[28]等人模拟了石墨烯作为薄圆盘随机分散，研究了电子隧道距离对电渗流阈值的影响如图1.2（e）所示。Ni[29]等人通过MonteCarlo模拟，建立了一维和二维导电纳米填料增强绝缘薄膜的二维圆盘-棒协同渗流模型，对一维纳米填料的长度和二维纳米填料的直径等尺寸效应参数进行了研究，预测了杂化体系的电渗流阈值如图1.2（f）所示。通过将基尔霍夫电流定律转化为电阻网络，计算了有效电导，并用高斯消去法求解线性方程组，由节点电压分布得到等效电阻。如前所述，文献中使用圆盘模型近似用于表示石墨烯，但是石墨烯被认为是具有边角的框架结构，圆片模型缺乏定量的准确性。迄今为止在这方面的研究很少涉及石墨烯粒子的分布行为，更不用说石墨烯与基体之间的相互作用了，这也影响了石墨烯填充型导电纳米复合材料电渗流阈值的预测精度。针对以上问题，拟采用蒙特卡罗模拟方法对石墨烯填充型导电纳米复合材料的渗流阈值进行模拟预测，通过在三维有限空间中中填充更精确的石墨烯物理模型，从而得到复合材料的渗流曲线与阈值，为石墨烯基复合材料的的建模提供一种设计方案。图1.2计算机仿真在复合材料领域的研究成果Fig2.1Researchresultsofcomputersimulationinthefieldofcompositematerials1.3课题主要研究内容针对现有的石墨烯填充型导电纳米复合材料导电性预测模型中石墨烯导电填料的构建模型不合理，填料分布不合理等导致的预测精度的问题，以及由于模拟过程中因为填料模型之间距离计算的复杂性导致的仿真时间长，对计算机配置要求?
合肥工业大学硕士学位论文7导率的分析模型的最新结果表明，大多数现有的模型适用于处理简单形状的导电粒子，如圆柱形和球形填料[43]。图2.1为典型的渗流曲线。在渗流曲线由绝缘区到导电区的过渡过程中，存在一个渗流区，渗流区中复合材料导电性的变化率可达数十数量级。图2.1典型的复合材料渗流曲线Fig2.1Typicalpercolationcurveofcomposites除此之外，实验中发现渗流理论受到了一定的限制：渗流理论认为粒子之间导电的前提是填料直接接触或者粒子之间的距离足够小到1nm之内，当聚合物中粒子导电进而形成一条贯穿复合材料体系的通路时，材料导电。但是后来研究人员发现，当填充的导电粒子之间的间隙较大时，粒子之间仍然有电流流过。因此诞生了在微观层面上的隧道效应理论以及场致发射理论。2.2隧道效应理论隧道效应理论的研究依赖于导电粒子的动能以及薛定谔方程，是与宏观的能量守恒定律相违背的理论。经典物理学中指出粒子穿越势垒存在一个阈值能量，只有粒子的能量大于此阈值时，方能穿过势垒。但是量子力学认为，当大量小于能量阈值的粒子冲向势垒时，由于粒子反弹导致部分粒子穿越势垒，形成量子隧道。隧道效应理论认为在填料填充型导电复合材料中，两个填料粒子之间导电并不需要直接接触，当粒子之间的距离足够短时，在导电填料中的内部电场的作用下，电子会被热振动效应激活并穿过填料之间很薄的聚合物材料界面层的势垒进而跳跃到相邻的导电填料中。这个距离通常只有几纳米，因此在复合材料中通过隧穿效应而导电的情况非常普遍，也是研究复合材料导电性的重要理论。因此当电子受到热振动而穿越由基体高分子薄层所构成的势垒区，进而跳跃到相邻的粒子上，产生电子隧穿电流[43]。早在1957年Polley和Boonstra[44]的研究中发现硅橡胶
【参考文献】：
期刊论文
[1]高分子基复合材料非线性导电行为和机理研究进展[J]. 赵世阳,王庆国,卢聘,曲兆明,王妍,成伟. 材料科学与工程学报. 2018(05)
[2]石墨烯/橡胶纳米复合材料研究进展[J]. 补强,何方方,夏和生. 高分子学报. 2014(06)
[3]纳米科学和纳米技术——发展领域和方向[J]. 王中林. 中国科学基金. 2001(06)
[4]计算机模拟技术在材料科学中的应用[J]. 高英俊,刘慧,钟夏平. 广西大学学报(自然科学版). 2001(04)
[5]纳米材料应用技术的新进展[J]. 王淼,李振华,鲁阳,齐仲甫,李文铸. 材料科学与工程. 2000(01)
硕士论文
[1]基于蒙特卡罗模拟的碳系填充型导电高分子材料渗流阈值研究[D]. 王文东.合肥工业大学 2019
本文编号：3416306
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
近几年石墨烯/聚合物的研究成果Fig1.1Researchresultsofgraphene/polymerinrecentyears
合肥工业大学硕士学位论文4Li[27]等人假设石墨烯是均匀分布在立方体中的理想薄圆板如图1.2（d）所示。采用一个新定义的特定粒子间距来表示电渗流。随后，研究了电渗流与石墨烯的几何结构和体积分数的关系。Baniassadi[28]等人模拟了石墨烯作为薄圆盘随机分散，研究了电子隧道距离对电渗流阈值的影响如图1.2（e）所示。Ni[29]等人通过MonteCarlo模拟，建立了一维和二维导电纳米填料增强绝缘薄膜的二维圆盘-棒协同渗流模型，对一维纳米填料的长度和二维纳米填料的直径等尺寸效应参数进行了研究，预测了杂化体系的电渗流阈值如图1.2（f）所示。通过将基尔霍夫电流定律转化为电阻网络，计算了有效电导，并用高斯消去法求解线性方程组，由节点电压分布得到等效电阻。如前所述，文献中使用圆盘模型近似用于表示石墨烯，但是石墨烯被认为是具有边角的框架结构，圆片模型缺乏定量的准确性。迄今为止在这方面的研究很少涉及石墨烯粒子的分布行为，更不用说石墨烯与基体之间的相互作用了，这也影响了石墨烯填充型导电纳米复合材料电渗流阈值的预测精度。针对以上问题，拟采用蒙特卡罗模拟方法对石墨烯填充型导电纳米复合材料的渗流阈值进行模拟预测，通过在三维有限空间中中填充更精确的石墨烯物理模型，从而得到复合材料的渗流曲线与阈值，为石墨烯基复合材料的的建模提供一种设计方案。图1.2计算机仿真在复合材料领域的研究成果Fig2.1Researchresultsofcomputersimulationinthefieldofcompositematerials1.3课题主要研究内容针对现有的石墨烯填充型导电纳米复合材料导电性预测模型中石墨烯导电填料的构建模型不合理，填料分布不合理等导致的预测精度的问题，以及由于模拟过程中因为填料模型之间距离计算的复杂性导致的仿真时间长，对计算机配置要求?
合肥工业大学硕士学位论文7导率的分析模型的最新结果表明，大多数现有的模型适用于处理简单形状的导电粒子，如圆柱形和球形填料[43]。图2.1为典型的渗流曲线。在渗流曲线由绝缘区到导电区的过渡过程中，存在一个渗流区，渗流区中复合材料导电性的变化率可达数十数量级。图2.1典型的复合材料渗流曲线Fig2.1Typicalpercolationcurveofcomposites除此之外，实验中发现渗流理论受到了一定的限制：渗流理论认为粒子之间导电的前提是填料直接接触或者粒子之间的距离足够小到1nm之内，当聚合物中粒子导电进而形成一条贯穿复合材料体系的通路时，材料导电。但是后来研究人员发现，当填充的导电粒子之间的间隙较大时，粒子之间仍然有电流流过。因此诞生了在微观层面上的隧道效应理论以及场致发射理论。2.2隧道效应理论隧道效应理论的研究依赖于导电粒子的动能以及薛定谔方程，是与宏观的能量守恒定律相违背的理论。经典物理学中指出粒子穿越势垒存在一个阈值能量，只有粒子的能量大于此阈值时，方能穿过势垒。但是量子力学认为，当大量小于能量阈值的粒子冲向势垒时，由于粒子反弹导致部分粒子穿越势垒，形成量子隧道。隧道效应理论认为在填料填充型导电复合材料中，两个填料粒子之间导电并不需要直接接触，当粒子之间的距离足够短时，在导电填料中的内部电场的作用下，电子会被热振动效应激活并穿过填料之间很薄的聚合物材料界面层的势垒进而跳跃到相邻的导电填料中。这个距离通常只有几纳米，因此在复合材料中通过隧穿效应而导电的情况非常普遍，也是研究复合材料导电性的重要理论。因此当电子受到热振动而穿越由基体高分子薄层所构成的势垒区，进而跳跃到相邻的粒子上，产生电子隧穿电流[43]。早在1957年Polley和Boonstra[44]的研究中发现硅橡胶
【参考文献】：
期刊论文
[1]高分子基复合材料非线性导电行为和机理研究进展[J]. 赵世阳,王庆国,卢聘,曲兆明,王妍,成伟. 材料科学与工程学报. 2018(05)
[2]石墨烯/橡胶纳米复合材料研究进展[J]. 补强,何方方,夏和生. 高分子学报. 2014(06)
[3]纳米科学和纳米技术——发展领域和方向[J]. 王中林. 中国科学基金. 2001(06)
[4]计算机模拟技术在材料科学中的应用[J]. 高英俊,刘慧,钟夏平. 广西大学学报(自然科学版). 2001(04)
[5]纳米材料应用技术的新进展[J]. 王淼,李振华,鲁阳,齐仲甫,李文铸. 材料科学与工程. 2000(01)
硕士论文
[1]基于蒙特卡罗模拟的碳系填充型导电高分子材料渗流阈值研究[D]. 王文东.合肥工业大学 2019
本文编号：3416306
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/sousuoyinqinglunwen/3416306.html
