[发明专利]一种低维功能复合材料温度相关等效电学性能的预测方法

说明书

本发明涉及一种基于细观力学的随机取向低维功能复合材料温度相关等效直流电学性能的预测方法。本发明首次建立一种基于细观力学方法的随机取向低维功能复合材料温度相关等效电学性质的预测方法。本发明中重点考虑了低维功能材料含量、低维功能材料长细比、渗流阈值、温度相关的低维功能材料和聚合物电学性质、温度相关的损伤界面连接效应、温度相关的界面隧道效应和Maxwell‑Wagner‑Sillars极化效应等对材料电学性能的影响。本发明解决了现有技术中随机取向的低维功能复合材料温度相关的等效直流电学性能研究方法成本较高，设计和测试耗时长，并且无法阐述其温度相关变化机理的问题。

技术领域

本发明涉及低维功能复合材料多场耦合均质化计算的技术领域，具体而言，涉及一种基于细观力学的随机取向低维功能复合材料温度相关等效直流电学性能的预测方法。

背景技术

随着社会经济的发展，能源问题日益突出。低维功能复合材料作为具有轻质、高导电性、高介电性和高导热性等优异电-磁-热-弹性能的先进功能材料，已成为高效储能与能量转换系统的关键功能材料，在新型能源、航空航天和电子信息等国民经济与国家安全领域受到广泛关注。低维功能材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级的功能材料，包括一维材料与二维材料。其中，一维材料是指指电子仅可在1个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动的材料，典型实例包括碳纳米管(长细比远大于1)、量子线等；二维功能材料是指电子仅可在2个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动的材料，典型实例包括石墨烯(长细比远小于1)、碳化硅和硅烯等。低维功能材料具有优秀的力学和电学性质，弹性模量达到1TPa，导电性达到8×10⁴S/m。

然而，单相低维功能材料往往难以满足实际应用的需求。通过将随机取向的低维功能材料与聚合物相结合，形成低维功能复合材料，其相比聚合物基质材料具有更优异的导电性、介电性和导热性等电磁学和热学性能，相比功能材料具有更优异的弹塑性和韧性等力学性能。同时，随机取向的低维功能复合材料在制备过程中不需要限定功能材料的取向，具有制备简单的特点。在实际工程领域，低维功能复合材料具有重要的实用价值。但由低维功能复合材料构成的电磁元器件，在实际应用中除了受到电磁载荷外，不可避免地受到复杂温度场的作用。低维功能材料与基体材料间的界面效应是低维功能复合材料具有多场耦合等效性质的主要原因。界面效应与温度载荷密切相关，使低维功能复合材料具有温度场相关的等效电学性质。

发明人前期已提交发明专利申请“一种石墨烯多孔纳米复合材料的交流电学性能预测方法”，并在已发表的论文中[1-4]，分别给出了恒定温度下受单一电磁场载荷作用的随机取向低维功能复合材料在直流和交流载荷下的等效直流导电性和介电性以及弹塑性。然而，上述专利申请与论文并未考虑温度对低维功能复合材料等效直流电学性质的影响。本发明分别以导电性和介电性为平均变量，将细观力学方法作为均质化方法，引入温度对低维功能材料和聚合物电学性质以及界面效应的影响，计算得到低维功能复合材料温度相关有效电学性质的预测方法，从而获得其等效导电性和介电性关于温度和低维功能材料含量的连续变化曲线。

经检索发现：目前尚未有基于材料微观结构的细观力学均质化理论能将低维功能复合材料的微观特征与宏观层面温度相关的等效电学性质联系起来。本发明将要建立一种基于细观力学方法的低维功能复合材料温度相关的等效电学性能的预测方法。

参考文献

[1]Wang,Y.,Shan,J.W.,Weng,G.J.:Percolation threshold and electricalconductivity of graphene-based nanocomposites with filler agglomeration andinterfacial tunneling.J.Appl.Phys.118,065101(2015)