[發明專利]一種多粒徑填料填充型復合材料流動性模擬方法

在審

• 申請號: 202111510385.2
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114357902A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 付雪瓊;魯濟豹;孫蓉
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/25;G06F113/08;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 耿慧敏;朱偉軍

本發明公開一種多粒徑填料填充型復合材料流動性模擬方法。該方法包括：設置填料幾何信息，并根據最大填料顆粒尺寸劃分單元網格；根據離散元模擬確定填料物性參數和填料?填料、填料?壁面接觸模型，并定義顆粒生成器及模型邊界條件；采用顆粒直徑增長法生成顆粒隨機分布結構，并設置顆粒線性分布的初速度；確定基體材料密度和粘度模型，設定邊界條件，模擬基體材料在給定剪切速率下的三維庫埃特流動；離散元軟件生成動態鏈接庫文件，并導入耦合文件；采用計算流體力學軟件設置耦合參數，并導入耦合文件；結合計算流體力學軟件與離散元軟件耦合計算，計算復合材料粘度。本發明能更準確全面分析各類不同形狀填料填充復合材料的粘度變化規律。

技術領域

本發明涉及高分子復合材料設計技術領域，更具體地，涉及一種多粒徑填料填充型復合材料流動性模擬方法。

背景技術

多粒徑填料填充型復合材料在電子封裝領域得到廣泛應用，如底部填充膠(Underfill)、熱界面材料(TIM)等。隨著填料填充密度升高，填料之間易發生團聚現象，填料與填料之間摩擦效應增強，填料與基體的界面面積增大，造成復合材料流動性變差，不利于材料加工成型。影響復合材料宏觀粘度的微觀因素包括：填料填充密度、填料粒徑尺寸、粒徑分布、填料及基體材料特性等。采用宏觀流變實驗很難分析這些微觀因素的具體作用，且實驗成本高，周期長。

目前，采用數值模擬方法研究復合材料流動性的方法包括離散元方法(DEM)和計算流體力學(CFD)-離散元(DEM)耦合方法。采用離散元方法可以考慮顆粒間的摩擦效應和接觸力，但不能精確描述顆粒-基體相互作用。采用CFD-DEM耦合方法可以計算流體相和固體相之間的相互作用，其中全解析方法網格尺寸與湍流中最小渦流的尺寸相當，可得到流場的精確解。然而，這種方式計算成本高，模型包含的顆粒數量有限，特別是對于填料粒徑尺寸差別較大的情況。對于半解析或非解析方法，CFD網格尺寸比顆粒直徑大，因此可描述更大的體系。

經分析，現有模擬方法一般針對單粒徑填充體系或考慮粒徑分布的單粒徑填充體系，很少有研究針對工程中常用的三粒徑填充體系。此外，考慮到電子封裝材料基體和填料類型的多樣性，尚未開發出可準確描述不同類型基體多粒徑填充體系流動性的高效計算方案。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種多粒徑填料填充型復合材料流動性模擬方法，該方法包括以下步驟：

設置填料形狀、填充密度、粒徑尺寸、粒徑分布，并選取代表性單元，根據最大顆粒尺寸劃分單元網格；

在離散元軟件中導入網格模型，根據離散元模擬確定填料物性參數和填料-填料、填料-壁面接觸模型，并定義顆粒生成器及模型邊界條件；

采用顆粒直徑增長法生成設定填充密度下的顆粒隨機分布結構，根據顆粒位置和剪切速率設置顆粒線性分布的初速度；

確定基體材料密度和粘度模型，設定邊界條件，模擬基體材料在給定剪切速率下的三維庫埃特流動，獲得穩定流場；

所述離散元軟件生成動態鏈接庫文件，并導入設置了耦合參數的耦合文件；

采用計算流體力學軟件設置耦合參數，并導入耦合文件；

結合所述計算流體力學軟件與所述離散元軟件耦合計算，提取顆粒位置、速度、受力信息，并提取流場速度分布信息和模型邊界受力信息，計算復合材料粘度。

與現有技術相比，本發明的優點在于，以CFD軟件Fluent和離散元模擬軟件DEMSlab為例，提供復合材料粘度模擬方法，能夠根據復合材料配方，模擬出不同填充密度、粒徑尺寸、粒徑分布、填料-基體相互作用下的復合材料粘度，分析影響材料粘度的關鍵因素，為改善復合材料流動性提供了理論依據。

通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特征及其優點將會變得清楚。

附圖說明