【摘要】：人類社會面臨著嚴重的能源危機以及傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境問題。研究先進的電能和磁能存儲技術(shù)來實現(xiàn)能量的節(jié)約和可持續(xù)使用具有重要的理論研究意義和實用價值。介電儲能技術(shù)在現(xiàn)代能源領(lǐng)域中具有廣泛的應用需求和市場應用前景,已成為諸多儲能技術(shù)研究中的熱點問題之一,介電儲能復合材料的研究和制造是介電儲能的核心技術(shù)之一。復合材料等效電磁參數(shù)是復合材料分析和設(shè)計中的重要物性參數(shù),因此,對顆粒填充復合材料等效電磁參數(shù)開展理論研究對工程應用具有理論指導意義。論文的主要研究工作如下:(1)從球形顆粒填充復合材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),對顆粒填充復合材料進行物理建模,獲得了靜態(tài)場條件下顆粒填充多元(多相)復合材料的電磁場方程;綜合分析了顆粒填充復合材料電磁方程的求解方法、等效電磁參數(shù)計算方法,分析討論了球形顆粒填充復合材料模型的填充相顆粒半徑、顆粒間距與填充相體積比率的關(guān)系,獲得球形顆粒均勻填充的兩相復合材料最大體積填充率。(2)對于球形顆粒填充兩相復合材料,提出利用分離變量法求解Laplace方程,獲得了靜電場模型條件下兩相復合材料中電場強度的理論解;分別基于平均場法和平均能量法,獲得了球形顆粒填充兩相復合材料等效介電常數(shù)的理論表達式,并將這兩種方法的理論計算結(jié)果與文獻報道的4種顆粒填充復合材料的實驗測量數(shù)據(jù)、部分具有較高計算精度的其它理論公式的計算結(jié)果進行了比較,結(jié)果表明:本文基于平均能量法所獲的顆粒填充復合材料等效介電常數(shù)理論公式的計算結(jié)果比其它理論公式的計算結(jié)果更接近實驗測量值,與實驗測量值的吻合度最高,平均能量法所獲得的等效介電常數(shù)理論公式可用于預測復合材料的等效介電常數(shù),指導復合材料的設(shè)計與制造。利用獲得的等效介電常數(shù)理論公式分析了填充相顆粒介電常數(shù)、體積比對復合材料等效介電常數(shù)和儲能性能的影響,結(jié)果表明:一方面,當填充相的介電常數(shù)增大到某一閾值后,復合材料的電能儲能密度趨于相對穩(wěn)定,幾乎不再隨著填充相介電常數(shù)的變化而變化;另一方面,等效介電常數(shù)適中的某些復合材料具有更高的電能儲能密度。(3)對于含界面相的球形顆粒填充(三相)復合材料,提出利用分離變量法求解Laplace方程,獲得了靜電場模型條件下各組分中電場強度的理論解;分別基于平均場法和平均能量法,獲得了含界面相的球形顆粒填充(三相)復合材料等效介電常數(shù)的理論表達式,并通過與文獻報道的實驗測量數(shù)據(jù)的比較驗證平均能量法所獲的含界面相的顆粒填充(三相)復合材料等效介電常數(shù)理論公式的正確性、準確性和有效性。利用所獲得的理論公式,分析了金屬納米顆粒的尺寸效應及界面相對復合材料等效介電常數(shù)和電能儲能性能的影響,計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合,展示了本文所獲得的顆粒填充三相復合材料等效介電常數(shù)理論計算公式的優(yōu)異性。(4)對于球形顆粒填充兩相復合磁性材料,提出利用分離變量法求解Laplce方程,獲得了靜磁場模型條件下兩相復合材料中磁場強度的理論解;分別基于平均場法和平均能量法,獲得了球形顆粒填充兩相復合磁性材料等效磁導率的理論表達式,并將兩種方法的理論結(jié)果與文獻報道的實驗測量數(shù)據(jù)、部分具有較高計算精度的理論公式的計算結(jié)果進行了比較,驗證了本文所提出和建立的顆粒填充兩相復合磁性材料物理模型的正確性和平均能量法所獲的等效磁導率理論計算公式的準確性和有效性,分析了填充相顆粒磁導率和體積比對復合材料等效磁導率和磁能儲能性能的影響。在體積比一定的條件下,通過提高填充相的磁導率的方式,并不一定能夠制作出具有高磁能儲能密度的復合材料,等效磁導率適中的復合材料具有較高的磁能儲能密度。如果填充相顆粒為超導顆粒,復合材料的磁能儲能密度將會比基體相介質(zhì)的磁能儲能密度更低,填充超導顆粒不能提高復合材料的磁能儲能密度。(5)對于含界面相的球形顆粒填充(三相)磁性復合材料,利用分離變量法獲得了靜磁場模型條件下各組分中磁場強度的理論解;分別基于平均場法和平均能量法,獲得了含界面相的球形顆粒填充(三相)復合磁性材料等效磁導率的理論表達式。運用所獲得的理論公式,討論了填充相納米顆粒尺寸效應及界面相對復合材料等效磁導率及磁能儲能性能的影響、極端情況下納米顆粒界面相對復合材料等效磁導率的影響、超導納米顆粒對復合材料等效磁導率的影響。
【圖文】：

1.2.1 復合材料復合材料定義為“用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或者兩種以上的組分(或稱祖元)，通過人工復合組成的多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料”。即“通過人工復合”和“有特殊性能”是復合材料的主要特點[46]。由于復合材料是一種多相材料，它的設(shè)計自由度很大，可以通過搭配組分和改變各組分的體積比以滿足所需的性能要求。復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、易成型、耐腐蝕等單一組分材料沒有的優(yōu)點，目前已與金屬、無機非金屬、高分子并列為四大材料[46]。復合材料已大量生產(chǎn)并被廣泛應用于新能源、航空航天、電子、汽車等多種領(lǐng)域，，成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)不可或缺的材料[47]。復合材料由兩種及兩種以上的組分以及各組分之間的界面構(gòu)成。組份材料指的是填充相和基體相，也稱為增強相和背景相。填充相和基體相之間的交界區(qū)域具有特殊的結(jié)構(gòu)與組成，即不同于填充相，也不同于基體相，稱之為界面相。圖 1.1 為五種形態(tài)的填充相復合材料示意圖[48]。

介質(zhì)內(nèi)的各分子內(nèi)部的粒子作無規(guī)則的熱運動，因此分子是呈中性的。因此，當沒有外場的情況下，介質(zhì)內(nèi)部一般不會出現(xiàn)宏觀的電荷電流布，介質(zhì)內(nèi)部的宏觀電磁場也為零。但有外場存在時，介質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子由受到外場的作用，正負電荷發(fā)生相對位移，有極分子（原來正負電中心不重合分子）的取向以及分子電流的取向就會呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，這就是介質(zhì)的極化磁化現(xiàn)象。由于極化和磁化的原因，介質(zhì)內(nèi)部及表面上會出現(xiàn)宏觀束縛電荷和化電流。這些宏觀束縛電荷和磁化電流反過來又激發(fā)起附加的宏觀電磁場，與來的外場疊加在一起而得到介質(zhì)內(nèi)的總電磁場。介質(zhì)內(nèi)的宏觀電磁現(xiàn)象就是些電荷電流分布和電磁場之間相互作用的結(jié)果[73]�？偠灾陔妶鲎饔孟拢橘|(zhì)對外形成了宏觀偶極矩[74]，極化是電介質(zhì)材料擁有介電性能的主要原因，化的實質(zhì)是產(chǎn)生偶極子，如圖 1.2 所示。用電極化強度矢量 來描述宏觀電偶極矩分布，它等于物理小體積 內(nèi)的總偶極矩與 之比，如公式（1.3），其中 為介質(zhì)內(nèi)第 個分子的電偶極矩[73]�！� （1.3）
【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2640583