[發明專利]一種基于向量離析法預測復合材料導熱率的方法

在審

• 申請號: 202210759782.1
• 申請日: 2022-06-30
• 公開（公告）號: CN115081286A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 陳思琪;卞星明;熊沛琪;伍珈樂;劉淼;沈博洋
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/25;G06F30/10;G06F111/08;G06F113/26;G06F119/08
• 代理公司: 北京中巡通大知識產權代理有限公司 11703
• 代理人: 李曉曉

本發明屬于絕緣材料技術領域，具體公開了一種基于向量離析法預測復合材料導熱率的方法，包括：建立體積元模型；通過軸投影的方法分別計算得到填料顆粒不同接觸模式下接觸概率；根據有限元方法計算不同接觸模式下的接觸面法向熱流密度，得到最終的填料顆粒整體接觸概率，對比不同填料粒徑和體積分數下測得的復合材料導熱率和接觸概率的變化曲線，得到接觸概率與導熱率歸一化數值比較圖，通過比較圖得到復合材料導熱率。本發明計算填料顆粒不同接觸模式下的接觸概率，通過將不同接觸模式下的熱流密度作為權重引入填料顆粒接觸概率的計算中，考慮了不同填料接觸模式下的導熱通路熱流密度對材料整體導熱率的影響，提升了復合材料導熱率預測的可靠性。

技術領域

本發明屬于絕緣材料技術領域，具體涉及一種基于向量離析法預測復合材料導熱率的方法。

背景技術

隨著高壓設備和電力電子設備的小型化、集成化，過載運行或局部放電引起的熱積累直接影響電氣設備的介電性能和使用壽命，危害電網的安全穩定運行。聚合物復合材料具有優異的導熱性能和介電擊穿強度，是一種很有吸引力的電絕緣材料。然而，聚合物復合材料導熱性能的提高是以犧牲電氣性能為代價的。隨著電壓水平和輸出功率的不斷提高，熱擊穿現象反復發生。因此，研發具有高導熱性能的新型介電材料是非常有必要的。

常用于電絕緣材料的硅橡膠、環氧樹脂等高分子聚合物導熱率較低，在高電壓驅動下不能很好地散熱，多余的熱量積累在設備內部會導致溫度攀升，最終破壞材料的絕緣性能，大大降低了電氣設備的可靠性。

雖然填料的填充量和材料整體的導熱率之間存在明顯的正比關系，但填料增加的同時也降低了復合材料的絕緣性能，故需要通過建立預測模型來制定恰當的填充方案。國外學者建立了相關數學模型，用于預測填充不同填料尺寸、含量、形狀等影響因素下復合材料的熱導率，以指導實驗制備。學者們在早期建立了Maxwell模型、Lewis-Nielsen模型、Agari模型等數學模型。Maxwell模型只適用于低填充含量的情況，為改進這一點，Agari考慮到聚合物基體和填料的連通性，改進了平行和串聯模型，從而提出了優化版的Agari模型。

然而，上述預測模型很少考慮到不同填料接觸形式下的導熱通路熱流密度對材料整體導熱率的影響，事實上對于多面體填料，如SiC，在填料面面接觸與面邊接觸兩種形式下傳導的熱流密度相距甚遠，若混為一談，對模型預測精度影響較大。

發明內容

為了克服現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于向量離析法預測復合材料導熱率的方法，以解決現有預測模型不能考慮到不同填料接觸模式下的導熱通路熱流密度對材料整體導熱率的影響的問題。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

本發明提供一種基于向量離析法預測復合材料導熱率的方法，包括：

S1：根據復合材料的SEM圖，建立反映材料整體形貌的體積元模型；

S2：在體積元模型中隨機選取一對代表填料顆粒的立方體，進行接觸檢測，通過軸投影的方法分別計算得到填料顆粒面面接觸概率和面邊接觸概率；

S3：根據有限元方法計算得到的面面接觸和面邊接觸模式下的接觸面法向熱流密度，通過S2中得到的填料顆粒面面接觸概率和面邊接觸概率，計算得到最終的填料顆粒整體接觸概率，并對比多組不同填料粒徑和體積分數下實驗測得的復合材料導熱率和接觸概率的變化曲線，得到接觸概率與導熱率歸一化數值比較圖，通過接觸概率與導熱率歸一化數值比較圖得到復合材料導熱率。

進一步的，所述S1中復合材料由聚合物基體和無機填料組成。

進一步的，所述S1中體積元模型中用大立方體表示聚合物基體，用互不重疊的小立方體表示無機填料，據實際填料粒徑和體積分數確定小立方體的邊長和數量，使用Matlab的隨機函數確定填料中心位置，建立體積元模型：