隨著石墨烯填充型導(dǎo)電復(fù)合材料在可穿戴電子設(shè)備以及機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展,具有高性能并且低成本的石墨烯填充型導(dǎo)電復(fù)合材料逐漸成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)過程中無法對(duì)復(fù)合材料中的微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精準(zhǔn)控制,復(fù)合材料體系的精確設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn),但是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的出現(xiàn)使問題變得簡化,通過仿真復(fù)合材料內(nèi)部的微觀網(wǎng)絡(luò)提供詳細(xì)的微觀信息。本文研究石墨烯填充型高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理,根據(jù)滲流理論構(gòu)建了蒙特卡羅計(jì)算模型,并根據(jù)石墨烯填料在復(fù)合材料中的分布選取了隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法,構(gòu)建基于k-d樹的最近鄰粒子搜索算法以及基于圖形理論的導(dǎo)電路徑搜索算法。構(gòu)建了用于對(duì)比的圓片模型,根據(jù)復(fù)合材料中石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建了方片以及彎曲方片三種石墨烯軟殼硬核仿真模型,軟殼代表隧道效應(yīng)導(dǎo)致的導(dǎo)電粒子在不直接接觸的情況下導(dǎo)電,并填充到三維代表體積單元中得到石墨烯填充型導(dǎo)電復(fù)合材料滲流閾值預(yù)測模型。本文基于石墨烯填充型導(dǎo)電復(fù)合材料滲流閾值預(yù)測的蒙特卡羅模型,分析了石墨烯三種模型的特征參數(shù)與復(fù)合材料滲流曲線與滲流閾值之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制,并根據(jù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中連接節(jié)點(diǎn)的分析對(duì)比了三種模型之間的差異,對(duì)比表明使用圓片模擬石墨烯復(fù)合材料的滲流... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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近幾年石墨烯/聚合物的研究成果Fig1.1Researchresultsofgraphene/polymerinrecentyears

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4Li[27]等人假設(shè)石墨烯是均勻分布在立方體中的理想薄圓板如圖1.2（d）所示。采用一個(gè)新定義的特定粒子間距來表示電滲流。隨后，研究了電滲流與石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。Baniassadi[28]等人模擬了石墨烯作為薄圓盤隨機(jī)分散，研究了電子隧道距離對(duì)電滲流閾值的影響如圖1.2（e）所示。Ni[29]等人通過MonteCarlo模擬，建立了一維和二維導(dǎo)電納米填料增強(qiáng)絕緣薄膜的二維圓盤-棒協(xié)同滲流模型，對(duì)一維納米填料的長度和二維納米填料的直徑等尺寸效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了研究，預(yù)測了雜化體系的電滲流閾值如圖1.2（f）所示。通過將基爾霍夫電流定律轉(zhuǎn)化為電阻網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算了有效電導(dǎo)，并用高斯消去法求解線性方程組，由節(jié)點(diǎn)電壓分布得到等效電阻。如前所述，文獻(xiàn)中使用圓盤模型近似用于表示石墨烯，但是石墨烯被認(rèn)為是具有邊角的框架結(jié)構(gòu)，圓片模型缺乏定量的準(zhǔn)確性。迄今為止在這方面的研究很少涉及石墨烯粒子的分布行為，更不用說石墨烯與基體之間的相互作用了，這也影響了石墨烯填充型導(dǎo)電納米復(fù)合材料電滲流閾值的預(yù)測精度。針對(duì)以上問題，擬采用蒙特卡羅模擬方法對(duì)石墨烯填充型導(dǎo)電納米復(fù)合材料的滲流閾值進(jìn)行模擬預(yù)測，通過在三維有限空間中中填充更精確的石墨烯物理模型，從而得到復(fù)合材料的滲流曲線與閾值，為石墨烯基復(fù)合材料的的建模提供一種設(shè)計(jì)方案。圖1.2計(jì)算機(jī)仿真在復(fù)合材料領(lǐng)域的研究成果Fig2.1Researchresultsofcomputersimulationinthefieldofcompositematerials1.3課題主要研究內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有的石墨烯填充型導(dǎo)電納米復(fù)合材料導(dǎo)電性預(yù)測模型中石墨烯導(dǎo)電填料的構(gòu)建模型不合理，填料分布不合理等導(dǎo)致的預(yù)測精度的問題，以及由于模擬過程中因?yàn)樘盍夏Ｐ椭g距離計(jì)算的復(fù)雜性導(dǎo)致的仿真時(shí)間長，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求?

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文7導(dǎo)率的分析模型的最新結(jié)果表明，大多數(shù)現(xiàn)有的模型適用于處理簡單形狀的導(dǎo)電粒子，如圓柱形和球形填料[43]。圖2.1為典型的滲流曲線。在滲流曲線由絕緣區(qū)到導(dǎo)電區(qū)的過渡過程中，存在一個(gè)滲流區(qū)，滲流區(qū)中復(fù)合材料導(dǎo)電性的變化率可達(dá)數(shù)十?dāng)?shù)量級(jí)。圖2.1典型的復(fù)合材料滲流曲線Fig2.1Typicalpercolationcurveofcomposites除此之外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滲流理論受到了一定的限制：滲流理論認(rèn)為粒子之間導(dǎo)電的前提是填料直接接觸或者粒子之間的距離足夠小到1nm之內(nèi)，當(dāng)聚合物中粒子導(dǎo)電進(jìn)而形成一條貫穿復(fù)合材料體系的通路時(shí)，材料導(dǎo)電。但是后來研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充的導(dǎo)電粒子之間的間隙較大時(shí)，粒子之間仍然有電流流過。因此誕生了在微觀層面上的隧道效應(yīng)理論以及場致發(fā)射理論。2.2隧道效應(yīng)理論隧道效應(yīng)理論的研究依賴于導(dǎo)電粒子的動(dòng)能以及薛定諤方程，是與宏觀的能量守恒定律相違背的理論。經(jīng)典物理學(xué)中指出粒子穿越勢壘存在一個(gè)閾值能量，只有粒子的能量大于此閾值時(shí)，方能穿過勢壘。但是量子力學(xué)認(rèn)為，當(dāng)大量小于能量閾值的粒子沖向勢壘時(shí)，由于粒子反彈導(dǎo)致部分粒子穿越勢壘，形成量子隧道。隧道效應(yīng)理論認(rèn)為在填料填充型導(dǎo)電復(fù)合材料中，兩個(gè)填料粒子之間導(dǎo)電并不需要直接接觸，當(dāng)粒子之間的距離足夠短時(shí)，在導(dǎo)電填料中的內(nèi)部電場的作用下，電子會(huì)被熱振動(dòng)效應(yīng)激活并穿過填料之間很薄的聚合物材料界面層的勢壘進(jìn)而跳躍到相鄰的導(dǎo)電填料中。這個(gè)距離通常只有幾納米，因此在復(fù)合材料中通過隧穿效應(yīng)而導(dǎo)電的情況非常普遍，也是研究復(fù)合材料導(dǎo)電性的重要理論。因此當(dāng)電子受到熱振動(dòng)而穿越由基體高分子薄層所構(gòu)成的勢壘區(qū)，進(jìn)而跳躍到相鄰的粒子上，產(chǎn)生電子隧穿電流[43]。早在1957年P(guān)olley和Boonstra[44]的研究中發(fā)現(xiàn)硅橡膠

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[3]納米科學(xué)和納米技術(shù)——發(fā)展領(lǐng)域和方向[J]. 王中林.  中國科學(xué)基金. 2001(06)
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碩士論文
[1]基于蒙特卡羅模擬的碳系填充型導(dǎo)電高分子材料滲流閾值研究[D]. 王文東.合肥工業(yè)大學(xué) 2019



本文編號(hào)：3416306