[发明专利]一种基于向量离析法预测复合材料导热率的方法

说明书

本发明属于绝缘材料技术领域，具体公开了一种基于向量离析法预测复合材料导热率的方法，包括：建立体积元模型；通过轴投影的方法分别计算得到填料颗粒不同接触模式下接触概率；根据有限元方法计算不同接触模式下的接触面法向热流密度，得到最终的填料颗粒整体接触概率，对比不同填料粒径和体积分数下测得的复合材料导热率和接触概率的变化曲线，得到接触概率与导热率归一化数值比较图，通过比较图得到复合材料导热率。本发明计算填料颗粒不同接触模式下的接触概率，通过将不同接触模式下的热流密度作为权重引入填料颗粒接触概率的计算中，考虑了不同填料接触模式下的导热通路热流密度对材料整体导热率的影响，提升了复合材料导热率预测的可靠性。

技术领域

本发明属于绝缘材料技术领域，具体涉及一种基于向量离析法预测复合材料导热率的方法。

背景技术

随着高压设备和电力电子设备的小型化、集成化，过载运行或局部放电引起的热积累直接影响电气设备的介电性能和使用寿命，危害电网的安全稳定运行。聚合物复合材料具有优异的导热性能和介电击穿强度，是一种很有吸引力的电绝缘材料。然而，聚合物复合材料导热性能的提高是以牺牲电气性能为代价的。随着电压水平和输出功率的不断提高，热击穿现象反复发生。因此，研发具有高导热性能的新型介电材料是非常有必要的。

常用于电绝缘材料的硅橡胶、环氧树脂等高分子聚合物导热率较低，在高电压驱动下不能很好地散热，多余的热量积累在设备内部会导致温度攀升，最终破坏材料的绝缘性能，大大降低了电气设备的可靠性。

虽然填料的填充量和材料整体的导热率之间存在明显的正比关系，但填料增加的同时也降低了复合材料的绝缘性能，故需要通过建立预测模型来制定恰当的填充方案。国外学者建立了相关数学模型，用于预测填充不同填料尺寸、含量、形状等影响因素下复合材料的热导率，以指导实验制备。学者们在早期建立了Maxwell模型、Lewis-Nielsen模型、Agari模型等数学模型。Maxwell模型只适用于低填充含量的情况，为改进这一点，Agari考虑到聚合物基体和填料的连通性，改进了平行和串联模型，从而提出了优化版的Agari模型。

然而，上述预测模型很少考虑到不同填料接触形式下的导热通路热流密度对材料整体导热率的影响，事实上对于多面体填料，如SiC，在填料面面接触与面边接触两种形式下传导的热流密度相距甚远，若混为一谈，对模型预测精度影响较大。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于向量离析法预测复合材料导热率的方法，以解决现有预测模型不能考虑到不同填料接触模式下的导热通路热流密度对材料整体导热率的影响的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明提供一种基于向量离析法预测复合材料导热率的方法，包括：

S1：根据复合材料的SEM图，建立反映材料整体形貌的体积元模型；

S2：在体积元模型中随机选取一对代表填料颗粒的立方体，进行接触检测，通过轴投影的方法分别计算得到填料颗粒面面接触概率和面边接触概率；

S3：根据有限元方法计算得到的面面接触和面边接触模式下的接触面法向热流密度，通过S2中得到的填料颗粒面面接触概率和面边接触概率，计算得到最终的填料颗粒整体接触概率，并对比多组不同填料粒径和体积分数下实验测得的复合材料导热率和接触概率的变化曲线，得到接触概率与导热率归一化数值比较图，通过接触概率与导热率归一化数值比较图得到复合材料导热率。

进一步的，所述S1中复合材料由聚合物基体和无机填料组成。

进一步的，所述S1中体积元模型中用大立方体表示聚合物基体，用互不重叠的小立方体表示无机填料，据实际填料粒径和体积分数确定小立方体的边长和数量，使用Matlab的随机函数确定填料中心位置，建立体积元模型：