颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法技术

本发明专利技术提供一种颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，属于导热复合材料技术领域。本发明专利技术的方法包括以下步骤：S1：确定颗粒间形成导热通路的临界间距；S2：基于所述临界间距，统计代表体积单元内与每个颗粒形成导热通路的颗粒ID，形成所述代表体积单元内导热通路颗粒ID完整列表；S3：采用循环搜索算法计算所述代表体积单元内的导热团簇数量以及每个团簇包含的颗粒ID；S4：输出导热团簇数量、每个团簇包含的颗粒ID、每个团簇的大小和团簇分布信息，基于上述信息定量表征复合材料内部的三维导热网络。本发明专利技术的方法适用于多粒径颗粒增强聚合物基复合材料，实现对复合材料内部颗粒分散状态以及导热通路的定量化描述。内部颗粒分散状态以及导热通路的定量化描述。内部颗粒分散状态以及导热通路的定量化描述。

【技术实现步骤摘要】
颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法


[0001]本专利技术属于导热复合材料
，涉及一种颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法。

技术介绍

[0002]硅橡胶、环氧树脂等高分子聚合物广泛应用于电子电气领域，由于高分子材料导热系数低，通过在聚合物基体中引入热导率高、绝缘性好的无机填料颗粒，可有效提高复合材料的热导率。材料的宏观热导率与微观颗粒
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颗粒有效接触形成的导热通路数量密切相关。填料颗粒的填充密度以及填料级配方案都是影响复合材料导热通路的关键因素，对多粒径填充复合材料导热通路的准确表征是实现高导热复合材料微观设计的重要手段。
[0003]目前，采用实验方法直接表征复合材料内部的三维导热通路仍存在一定困难，一般通过扫描电镜拍摄复合材料内部填料颗粒的结构形貌图片，然后将获取的图片进行数值化处理。另一方面，也可以建立复合材料代表体积单元，通过对代表体积单元内部的导热通路进行数值化表征评估实际复合材料体系的导热性能。一般基于填料颗粒位置信息、粒径信息以及颗粒
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颗粒之间形成导热通路的判定条件，量化复合材料内部的导热通路。在文献(“定量表征颗粒导热通路的颗粒接触概率计算方法”，Composites Science and Technology,2021,210:108808)中记载了颗粒接触概率与复合材料的热导率正相关，分子模拟后处理软件Ovito,VMD可根据设定的截断半径计算颗粒之间形成的团簇大小，并输出团簇数量、最大团簇大小、团簇包含的颗粒ID、团簇尺寸分布等信息。
[0004]但是，颗粒接触概率仅给出了互相接触形成导热通路的颗粒数量占总颗粒可能接触数量的比率，没有给出具体的导热路径以及路径分布，用该方法难以表征填料粒径及填料相对体积含量变化对导热通路的影响；常规分子模拟后处理软件仅能处理颗粒尺寸均一的填充体系，而一般聚合物基复合材料中填料尺寸存在一定的分布，因此，用常规分子模拟后处理软件进行复合材料导热通路的数值表征存在很大的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，适用于多粒径颗粒增强聚合物基复合材料，实现对复合材料内部颗粒分散状态以及导热通路的定量化描述。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，包括以下步骤：
[0007]S1：确定颗粒间形成导热通路的临界间距；
[0008]S2：基于所述临界间距，统计代表体积单元内与每个颗粒形成导热通路的颗粒ID，形成所述代表体积单元内导热通路颗粒ID完整列表；
[0009]S3：采用循环搜索算法计算所述代表体积单元内的导热团簇数量以及每个团簇包含的颗粒ID；
[0010]S4：输出导热团簇数量、每个团簇包含的颗粒ID、每个团簇的大小和团簇分布信息，基于上述信息定量表征复合材料内部的三维导热网络。
[0011]优选地，所述步骤S1具体为：
[0012]针对不同粒径的颗粒分别建立对应粒径下的双颗粒复合材料导热计算模型，根据实际材料属性设定颗粒热导率、基体热导率、颗粒与基体界面间热阻和颗粒与颗粒间接触热阻，计算两颗粒在不同球心间距下的热流密度，得到热流密度随颗粒间距的变化曲线，取热流密度为最大热流密度80％时对应的颗粒间距为导热通路临界间距，即当两颗粒球心间距d满足d≤d
c
时，判定两颗粒间形成了导热通路。
[0013]优选地，所述步骤S2具体为：
[0014]设所述代表体积单元包含N个大小不同的颗粒，对于颗粒i，分别计算剩余N
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1个颗粒与颗粒i球心的距离d，统计d≤d
c
的颗粒ID，记入颗粒i的导热通路颗粒ID列表，其中，i代表颗粒ID；
[0015]重复上述方法，依次对所述代表体积单元内所有颗粒进行统计形成对应的导热通路颗粒ID列表，最终形成所述代表体积单元的导热通路颗粒ID完整列表。
[0016]优选地，所述步骤S3具体为：
[0017]根据所述导热通路颗粒ID完整列表，将与颗粒1形成导热通路的颗粒ID标记为1号团簇1级颗粒；将1级颗粒作为搜索对象，与1级颗粒形成导热通路的颗粒ID标记为1号团簇2级颗粒；以此类推，直至根据搜索颗粒ID确定的导热通路颗粒的数量为0，表明1号团簇包含的所有颗粒都已找到；
[0018]然后将未包含在1号团簇内的最小颗粒ID作为搜索颗粒，重复上述循环搜索过程，确定2号团簇包含的所有颗粒；
[0019]依此类推，直至将所述代表体积单元的导热通路颗粒ID完整列表全部搜索完毕，表明所述代表体积单元内所有可形成导热通路的颗粒都已包含在某个团簇内；
[0020]统计每个团簇包含的颗粒数量和颗粒ID，再根据颗粒直径计算每个团簇包含颗粒的总体积。
[0021]优选地，所述步骤S4中团簇大小包括单个团簇包含的颗粒总数量以及单个团簇包含的颗粒总体积。
[0022]优选地，统计每个团簇包含的颗粒的数量相对于所有颗粒的总数量即相对数量，统计每个团簇包含颗粒的总体积相对所有颗粒的总体积即相对体积；相对数量在一定程度上代表了团簇大小。
[0023]优选地，所述步骤S4中团簇分布信息为数量分布和体积分布信息。
[0024]优选地，所述步骤S4中基于输出信息定量表征复合材料内部的三维导热网络具体为：
[0025]基于输出信息确定所述代表体积单元内最大团簇；若最大团簇包含的颗粒的相对体积大，则说明复合材料的导热通路越多，导热性能越好；否则，说明复合材料的导热通路越少，导热性能越差。
[0026]本专利技术采用上述技术方案的优点是：
[0027]1)一般分子模拟后处理软件，如Ovito,VMD，仅能处理颗粒尺寸均一的填充体系，然而实际复合材料包含的填料尺寸一般呈一定分布。本专利技术的方法可根据不同尺寸的填料
颗粒分别给出了颗粒间形成导热通路的临界间距，并根据该临界间距确定与每个颗粒形成导热通路的颗粒ID，本专利技术的方法不受颗粒尺寸的限制，可以处理任意粒径分布的填料颗粒填充体系。
[0028]2)由于扫描电镜图片为二维尺度下的图片，因此基于图片的数值化处理仅能表征复合材料内部某个平面上的填料分散状态，尽管该方法基于实际材料体系，然而二维信息无法反映实际复合材料内部三维导热通路的构建情况。本专利技术通过分析与实际复合材料内部填料分散状态非常接近且宏观无限小微观无限大的代表体积单元，提供了一套精确、有效、方便的复合材料内部三维导热通路表征方法。
[0029]3)颗粒接触概率与复合材料的热导率正相关，但是该数值无法直观反应复合材料内部导热通路的三维结构，更无法分析导热通路的分布情况。本专利技术给出了每个导热团簇包含的颗粒ID，由分子模拟后处理软件方便给出导热通路的三维结构。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定颗粒间形成导热通路的临界间距；S2：基于所述临界间距，统计代表体积单元内与每个颗粒形成导热通路的颗粒ID，形成所述代表体积单元内导热通路颗粒ID完整列表；S3：采用循环搜索算法计算所述代表体积单元内的导热团簇数量以及每个团簇包含的颗粒ID；S4：输出导热团簇数量、每个团簇包含的颗粒ID、每个团簇的大小和团簇分布信息，基于上述信息定量表征复合材料内部的三维导热网络。2.根据权利要求1所述的颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路表征方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：针对不同粒径的颗粒分别建立对应粒径下的双颗粒复合材料导热计算模型，根据实际材料属性设定颗粒热导率、基体热导率、颗粒与基体界面间热阻和颗粒与颗粒间接触热阻，计算两颗粒在不同球心间距下的热流密度，得到热流密度随颗粒间距的变化曲线，取热流密度为最大热流密度80％时对应的颗粒间距为导热通路临界间距，即当两颗粒球心间距d满足d≤d
c
时，判定两颗粒间形成了导热通路。3.根据权利要求1所述的颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：设所述代表体积单元包含N个大小不同的颗粒，对于颗粒i，分别计算剩余N
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1个颗粒与颗粒i球心的距离d，统计d≤d
c
的颗粒ID，记入颗粒i的导热通路颗粒ID列表，其中，i代表颗粒ID；重复上述方法，依次对所述代表体积单元内所有颗粒进行统计形成对应的导热通路颗粒ID列表，最终形成所述代表体积单元的导热通路颗粒ID完整列表。4.根据权利要求3所述的颗粒增强聚合物基导热复合材料的导热通路的表征方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁济豹，付雪琼，王伟，孙蓉，
申请(专利权)人：深圳先进电子材料国际创新研究院，
类型：发明
国别省市：