[发明专利]一种多孔复合材料的多尺度建模与仿真方法

说明书

本发明涉及一种多孔复合材料的多尺度建模与仿真方法，包括以下步骤:S1、根据复合材料的材料成分，建立复合材料中各界面的多粒子模型；S2、选取能够描述体系中原子间相互作用的势函数，用分子动力学方法对多粒子模型进行系统弛豫及热力学、动力学分析；S3、通过分子动力学方法计算获得复合材料中各界面的力学、热学相关性质；S4、对复合材料建立代表性体积单元模型；S5、对代表性体积单元进行有限元分析。与现有技术相比，本发明可用于不同使用工况下多孔复合材料微观结构与物理性能关系的仿真研究，如探究界面强度、界面热导率、孔隙、各颗粒尺寸、分布和含量对复合材料热导率、弹性模量、屈服强度、应力分布和电导率等参数的影响。

技术领域

本发明涉及多孔复合材料分析领域，具体涉及一种多孔复合材料的多尺度建模与仿真方法。

背景技术

多孔复合材料以多孔材料为支撑体，修饰或负载其它功能性物质，综合了无机材料和有机高分子材料的优点，是一种性能优异的新型材料，在催化剂、电化学、生物医药等方面的应用日益广泛。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，是一种典型的多孔复合材料，它由Pt催化剂、碳载体和离聚物组成。其中催化剂颗粒为反应活性装置，碳载体起到承载催化剂的作用，离聚物则作为基体，并传输反应产生的质子；孔隙也是膜电极结构的重要特征，起到传输反应气体和水的重要作用。包括基体、功能性颗粒、孔隙等的多相界面是这类多孔复合材料发挥性能的重要场所，界面性能的优劣以及界面的分层，裂纹等破坏直接影响材料性能的发挥。

然而，受制于膜电极等大部分多孔材料复杂的微观结构，以及对微观界面表征手段的限制，很难通过实验来建立微观结构以及微观界面与材料性能之间的联系。计算机模拟技术能够实现对材料微观模型与宏观性能之间关系的精准预测，为材料优化设计提供指导，已成为材料科学研究中的一个重要组成部分。

目前，已有研究人员应用有限元方法对一些复合材料的结构和性能进行了分析，如Yixiang Zhang等人发表的《Numerical investigation of delamination onset andpropagation in catalyst layers of PEM fuel cells under hygrothermal cycles》论文中，建立了催化剂层的微观模型，并用有限元分析计算了在湿热载荷下催化剂层的部分力学行为，能一定程度上反映材料的细观结构和宏观力学行为之间的关系，但其缺点是仅限于细观尺度，缺少微观的，如对微观界面性质的预测，并且对于界面接触属性的设置以估算为主，所以准确性较低。

因此，要准确预测多孔复合材料的力、热等相关性能，亟需研发一种能够准确计算材料微观界面性质，弥补有限元模拟中缺乏的材料属性，构架起微观与细观的桥梁，最后对宏观性质进行准确预测的多尺度研究方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多孔复合材料的多尺度建模与仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明从分子动力学出发，计算获得材料力学、热学的微观性质，这些性质很难通过实验表征，在此基础上建立起材料的代表性体积单元模型，构架起微观和细观的桥梁，最后通过有限元分析建立材料微观结构与宏观性质之间的联系，具体方案如下：

一种多孔复合材料的多尺度建模与仿真方法，该方法包括以下步骤：

S1、根据复合材料的材料成分，建立复合材料中各界面的多粒子模型；

S2、选取能够描述体系中原子间相互作用的势函数，用分子动力学方法对多粒子模型进行系统弛豫及热力学、动力学分析；

S3、通过分子动力学方法计算获得复合材料中各界面的力学、热学相关性质；

S4、对复合材料进行模型假设和几何设定，建立代表性体积单元模型，模型界面属性由分子动力学结果提供；