[发明专利]一种含硬核-软壳结构体的颗粒增强材料导电率计算方法

说明书

本发明公开了一种含硬核‑软壳结构体的颗粒增强材料导电率计算方法，步骤为：确定硬核的几何参数；计算软壳体的排斥体积；计算软壳体的体积分数；计算软壳体的逾渗阈值；计算硬核‑软壳结构体的颗粒增强材料导电率。本发明克服了现有技术不能描述由于中间层逾渗引起的颗粒增强材料导电率发生突变过程的约束，以及数值模拟效率低、精度难以保证的技术瓶颈，使得颗粒增强材料导电率的计算方法更具有普遍性和代表性。

技术领域

本发明属于复合材料微观力学和材料工程技术领域，特别涉及了硬核-软壳结构体技术。

背景技术

近年来，碳纤维、纳米碳管、纳米银线等材料因其优异的刚度和强度、较高的导热性和导电性受到了越来越多关注。研究者们采用这些颗粒作为增强剂加入基体中，只要添加很少的量就可以让材料整体的传导性能得到巨大的提升。这种材料是电子、传感器、航空航天和屏蔽等工程领域中的理想材料。研究和预测颗粒增强材料的导电性是一个十分具有挑战性的科学问题，对于材料科学的研究发展具有重要的意义。揭示材料微观结构与宏观性能的定量关联机制，通过微观结构调控材料宏观性能是实现颗粒增强材料“定制”设计的重要途径。已有研究指出，由于加工工艺和材料特性等原因，颗粒周围存在着既有别于颗粒又不同于基体材料性能的中间层，这种体系是典型的核-壳结构体，如图1所示。

近年来，研究人员已经通过扫描电镜和X射线断层扫描已经观测到颗粒周围的中间层相互贯通构成一个复杂的网络，这个复杂网络是电流、热量、磁流等介质在材料内部传输的主要路径之一，特别是当中间层网络发生逾渗时，材料的传导性能会发生特变。当前中间层网络逾渗阈值的预测方法忽略了中间层之间的重叠效应以及颗粒几何特征的影响，而且没有一个清晰的方法获取非球形颗粒周围中间层网络的逾渗阈值，限制了它们在实践中的应用。在颗粒增强材料有效性能预测方面，近几十年兴起复合材料微观力学有效近似理论方法，如：Mori-Tanaka机制、微分有效介质近似、广义自洽方法都不能描述中间层发生逾渗条件下颗粒增强材料导电率演变机理。基于此，建立一种概念清晰、操作便利、适用范围广的含有硬核-软壳结构体的颗粒增强材料导电率的计算方法是当务之急。

发明内容

为了解决上述背景技术提到技术问题，本发明提出了一种含硬核-软壳结构体的颗粒增强材料导电率计算方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种含硬核-软壳结构体的颗粒增强材料导电率计算方法，包括以下步骤：

(1)确定硬核的几何参数；

(2)根据硬核的几何参数，计算软壳体的排斥体积；

(3)根据硬核的几何参数和颗粒的体积分数，计算软壳体的体积分数；

(4)以颗粒临界体积分数作为软壳体的逾渗阈值的表征量，所述颗粒临界体积分数根据软壳体的排斥体积、软壳体的临界体积分数和硬核的几何参数得到，所述软壳体的临界体积分数通过软壳体的体积分数得到；

(5)根据软壳体的体积分数和颗粒的体积分数，计算硬核-软壳结构体的导电率；再根据硬核-软壳结构体的导电率和软壳体的逾渗阈值，计算硬核-软壳结构体的颗粒增强材料导电率。

进一步地，在步骤(1)中，将硬核作为球柱体考虑，记其高为H，直径为D，则长径比α＝H/D，等效直径D_eq＝D(1+1.5α)^1/3。

进一步地，在步骤(2)中，通过下式计算软壳体的排斥体积：

上式中，S^c＝(1+α)πD_eq²A^-23，A＝1+1.5α，B＝1+0.5α，为软壳体的排斥体积，t为软壳体的厚度。

进一步地，在步骤(3)中，通过下式计算软壳体的体积分数：