隨著石墨烯填充型導電復合材料在可穿戴電子設備以及機器人領域的不斷發(fā)展,具有高性能并且低成本的石墨烯填充型導電復合材料逐漸成為材料科學領域的研究重點。由于實驗過程中無法對復合材料中的微觀導電網(wǎng)絡進行精準控制,復合材料體系的精確設計難以實現(xiàn),但是計算機模擬技術的出現(xiàn)使問題變得簡化,通過仿真復合材料內部的微觀網(wǎng)絡提供詳細的微觀信息。本文研究石墨烯填充型高分子材料的導電機理,根據(jù)滲流理論構建了蒙特卡羅計算模型,并根據(jù)石墨烯填料在復合材料中的分布選取了隨機數(shù)產生方法,構建基于k-d樹的最近鄰粒子搜索算法以及基于圖形理論的導電路徑搜索算法。構建了用于對比的圓片模型,根據(jù)復合材料中石墨烯的微觀結構圖構建了方片以及彎曲方片三種石墨烯軟殼硬核仿真模型,軟殼代表隧道效應導致的導電粒子在不直接接觸的情況下導電,并填充到三維代表體積單元中得到石墨烯填充型導電復合材料滲流閾值預測模型。本文基于石墨烯填充型導電復合材料滲流閾值預測的蒙特卡羅模型,分析了石墨烯三種模型的特征參數(shù)與復合材料滲流曲線與滲流閾值之間的關聯(lián)機制,并根據(jù)導電網(wǎng)絡中連接節(jié)點的分析對比了三種模型之間的差異,對比表明使用圓片模擬石墨烯復合材料的滲流... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

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

合肥工業(yè)大學碩士學位論文4Li[27]等人假設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構和體積分數(shù)的關系。Baniassadi[28]等人模擬了石墨烯作為薄圓盤隨機分散，研究了電子隧道距離對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電納米填料增強絕緣薄膜的二維圓盤-棒協(xié)同滲流模型，對一維納米填料的長度和二維納米填料的直徑等尺寸效應參數(shù)進行了研究，預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化為電阻網(wǎng)絡，計算了有效電導，并用高斯消去法求解線性方程組，由節(jié)點電壓分布得到等效電阻。如前所述，文獻中使用圓盤模型近似用于表示石墨烯，但是石墨烯被認為是具有邊角的框架結構，圓片模型缺乏定量的準確性。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電納米復合材料電滲流閾值的預測精度。針對以上問題，擬采用蒙特卡羅模擬方法對石墨烯填充型導電納米復合材料的滲流閾值進行模擬預測，通過在三維有限空間中中填充更精確的石墨烯物理模型，從而得到復合材料的滲流曲線與閾值，為石墨烯基復合材料的的建模提供一種設計方案。圖1.2計算機仿真在復合材料領域的研究成果Fig2.1Researchresultsofcomputersimulationinthefieldofcompositematerials1.3課題主要研究內容針對現(xiàn)有的石墨烯填充型導電納米復合材料導電性預測模型中石墨烯導電填料的構建模型不合理，填料分布不合理等導致的預測精度的問題，以及由于模擬過程中因為填料模型之間距離計算的復雜性導致的仿真時間長，對計算機配置要求?

合肥工業(yè)大學碩士學位論文7導率的分析模型的最新結果表明，大多數(shù)現(xiàn)有的模型適用于處理簡單形狀的導電粒子，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)到導電區(qū)的過渡過程中，存在一個滲流區(qū)，滲流區(qū)中復合材料導電性的變化率可達數(shù)十數(shù)量級。圖2.1典型的復合材料滲流曲線Fig2.1Typicalpercolationcurveofcomposites除此之外，實驗中發(fā)現(xiàn)滲流理論受到了一定的限制：滲流理論認為粒子之間導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，當聚合物中粒子導電進而形成一條貫穿復合材料體系的通路時，材料導電。但是后來研究人員發(fā)現(xiàn)，當填充的導電粒子之間的間隙較大時，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理論以及場致發(fā)射理論。2.2隧道效應理論隧道效應理論的研究依賴于導電粒子的動能以及薛定諤方程，是與宏觀的能量守恒定律相違背的理論。經典物理學中指出粒子穿越勢壘存在一個閾值能量，只有粒子的能量大于此閾值時，方能穿過勢壘。但是量子力學認為，當大量小于能量閾值的粒子沖向勢壘時，由于粒子反彈導致部分粒子穿越勢壘，形成量子隧道。隧道效應理論認為在填料填充型導電復合材料中，兩個填料粒子之間導電并不需要直接接觸，當粒子之間的距離足夠短時，在導電填料中的內部電場的作用下，電子會被熱振動效應激活并穿過填料之間很薄的聚合物材料界面層的勢壘進而跳躍到相鄰的導電填料中。這個距離通常只有幾納米，因此在復合材料中通過隧穿效應而導電的情況非常普遍，也是研究復合材料導電性的重要理論。因此當電子受到熱振動而穿越由基體高分子薄層所構成的勢壘區(qū)，進而跳躍到相鄰的粒子上，產生電子隧穿電流[43]。早在1957年Polley和Boonstra[44]的研究中發(fā)現(xiàn)硅橡膠

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高分子基復合材料非線性導電行為和機理研究進展[J]. 趙世陽,王慶國,盧聘,曲兆明,王妍,成偉.  材料科學與工程學報. 2018(05)
[2]石墨烯/橡膠納米復合材料研究進展[J]. 補強,何方方,夏和生.  高分子學報. 2014(06)
[3]納米科學和納米技術——發(fā)展領域和方向[J]. 王中林.  中國科學基金. 2001(06)
[4]計算機模擬技術在材料科學中的應用[J]. 高英俊,劉慧,鐘夏平.  廣西大學學報(自然科學版). 2001(04)
[5]納米材料應用技術的新進展[J]. 王淼,李振華,魯陽,齊仲甫,李文鑄.  材料科學與工程. 2000(01)

碩士論文
[1]基于蒙特卡羅模擬的碳系填充型導電高分子材料滲流閾值研究[D]. 王文東.合肥工業(yè)大學 2019



本文編號：3416306