聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法和装置，所述方法使用蒙特卡洛法构建聚合物纳米复合电介质三维结构模型，高通量仿真各界面区性质的聚合物纳米复合电介质的应力和应变场及有效杨氏模量，结合有效介质理论高通量仿真聚合物纳米复合电介质的有效杨氏模量，反演得到界面区的杨氏模量分布特性。建立起界面区介观特性于宏观力学性能间的关联，为研发高性能电气绝缘材料提供了理论和方法支持，有助于开发高击穿强度和储能密度的电介质电容器。度的电介质电容器。度的电介质电容器。

【技术实现步骤摘要】
聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法和装置


[0001]本专利技术属于高电压与绝缘
，具体涉及聚合物纳米复合电介质反演的界面区介观杨氏模量分布特性表征方法。

技术介绍

[0002]聚合物电介质薄膜材料广泛应用于储能电容器、变频逆变器、电子电子变压器等设备中。随着电压水平的不断提高和能量存储器件趋向于小型化、智能化的发展，对聚合物介电材料提出了更高要求，亟需研发具有高击穿强度和储能密度的电介质材料。电介质材料的击穿强度与机械强度有关，在电介质材料两边电极施加直流电压，此时材料会受到库伦作用力进而产生机械形变，若材料的杨氏模量和机械强度越大，则材料所能承受的库伦作用力就越大，有助于材料不被机械破坏，进而提升材料的击穿强度。
[0003]纳米粒子与聚合物基体间交互形成界面区，界面区中存在共价键、离子键和氢键等化学键，基体与纳米填料间强的相互作用力有利于聚合物纳米复合电介质杨氏模量的提高，并具有更高的击穿强度。因此，厘清界面区介观尺度的杨氏模量分布特性是研究高击穿强度和高储能材料的关键因素。
[0004]现有仪器设备难以实现聚合物纳米复合电介质界面区内不同区域的介观特性有效表征，这严重限制了界面区介观杨氏模量分布特性的研究，难以建立界面区介观特性与宏观性能的联系。

技术实现思路

[0005]本专利技术将界面区介观杨氏模量分布特性转换为Navier
‑
Cauchy方程的反演问题，提出了聚合物纳米复合电介质Navier
‑
Cauchy方程反演的界面区介观杨氏模量方法，建立起界面区介观特性与宏观力学性能之间的有效关联，为研发高性能聚合物纳米复合电介质材料提供了理论和方法支持。
[0006]为达到上述目的，本专利技术所述聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，通过实验获得聚合物纳米复合电介质的杨氏模量，并建立聚合物纳米复合电介质三维结构模型，所述聚合物纳米复合电介质三维结构模型包括聚合物基体、纳米填料和界面区；
[0008]步骤2，以聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分布作为输入数据集，代入纳维
‑
柯西方程中，计算聚合物纳米复合电介质的位移、应变、应力分布，再根据聚合物纳米复合电介质的应变和应力通过有效介质理论计算得到电介质三维结构模型中界面区的有效杨氏模量；
[0009]步骤3，将步骤2得到的有效杨氏模量与步骤1中实验得到的杨氏模量进行对比以确定合适的电介质三维结构模型中的界面区特性参数，根据界面区特性参数反演计算聚合物纳米复合电介质的界面区介观杨氏模量分布特性。
[0010]进一步的，步骤1中，利用蒙特卡洛方法建立聚合物纳米复合电介质三维结构模型，将聚合物基体和纳米填料区域的杨氏模量设置成实验得到的结果。
[0011]进一步的，步骤1中，采用逐渐下降的Sigmoid函数描述界面区杨氏模量的变化规律。
[0012]进一步的，步骤2的过程为：
[0013]S2.1、构建聚合物纳米复合电介质的平衡微分方程；
[0014]S2.2、构建聚合物纳复合电介质的几何方程和本构方程；
[0015]S2.3、将几何方程代入本构方程，得到应力与位移导数的关系式；
[0016]S2.4、将应力与位移导数的关系式代入平衡微分方程中，得到位移二阶导数与体积力之间的关系，即纳维
‑
柯西方程的微分形式；
[0017]S2.5、将纳维
‑
柯西方程组转换成积分形式并使用散度定理，得到其弱解形式，根据其弱解形式得到将位移量离散化的纳维
‑
柯西方程；
[0018]S2.6、逐个更新将位移量离散化的纳维
‑
柯西方程的位移量；
[0019]S2.7、给定初始位移量，然后采用程式雅可比迭代法求解纳维
‑
柯西方程；通过程式雅可比迭代逐个更新位移量，然后通过位移量计算源项，然后进行下一次迭代；然后将迭代求解得到的位移量代入几何方程去计算应变，然后通过本构方程计算得到应力；
[0020]S2.8、根据应力和应变，采用介质有效理论计算得到聚合物纳米复合材料的有效杨氏模量；
[0021]S2.9、将Y
interface0
/Y
matrix
作为横坐标，r0/r
nano
为纵坐标，Y
matrix
为聚合物基体的杨氏模量，Y
interface0
为靠近纳米粒子表面处界面区的杨氏模量，r0为Sigmoid函数的参数，r
nano
为纳米粒子的半径；聚合物纳米复合电介质的有效杨氏模量作为因变量，得到n2种有效杨氏模量的等值线图；将有效杨氏模量的等值线图与步骤1得到的实验结果对比，得到可能的界面区介观杨氏模量Sigmoid函数的参数范围。
[0022]进一步的，步骤S2.6中，采用程式雅可比迭代法逐个更新将位移量离散化的纳维
‑
柯西方程的位移量。
[0023]进一步的，步骤3的过程为：
[0024]在等值线图中选取曲率最大点的横坐标的值r0/r
nano
和纵坐标的值Y
interface0
/Y
matrix
作为界面区介观杨氏模量Sigmoid函数的参数，代入逐渐下降的Sigmoid函数中得到不同聚合物纳米复合电介质的界面区杨氏模量分布特性。
[0025]进一步的，步骤3还包括：将得到的聚合物纳米复合电介质的界面区杨氏模量Sigmoid函数的参数代入纳维
‑
柯西方程中，计算得到聚合物纳米复合电介质内部的应变、应力等分布特性。
[0026]一种聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析装置，包括：
[0027]构建模块，用于存储实验获得聚合物纳米复合电介质的杨氏模量，并建立聚合物纳米复合电介质三维结构模型，所述聚合物纳米复合电介质三维结构模型包括聚合物基体、纳米填料和界面区；
[0028]有效杨氏模量计算模块，用于以聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分布作为输入数据集，代入纳维
‑
柯西方程中，计算聚合物纳米复合电介质的位移、应变、应力分布，再根据聚合物纳米复合电介质的应变和应力通过有效介质理论计算得到电介质三维结构
模型中界面区的有效杨氏模量；
[0029]界面区介观杨氏模量分布特性计算模块，用于将有效杨氏模量与实验得到的杨氏模量进行对比以确定合适的电介质三维结构模型中的界面区特性参数，根据界面区特性参数反演计算聚合物纳米复合电介质的界面区介观杨氏模量分布特性。
[0030]一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法的步骤。
[0031]一种计算机可读存储介质，所述计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过实验获得聚合物纳米复合电介质的杨氏模量，并建立聚合物纳米复合电介质三维结构模型，所述聚合物纳米复合电介质三维结构模型包括聚合物基体、纳米填料和界面区；步骤2，以聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分布作为输入数据集，代入纳维
‑
柯西方程中，计算聚合物纳米复合电介质的位移、应变、应力分布，再根据聚合物纳米复合电介质的应变和应力通过有效介质理论计算得到电介质三维结构模型中界面区的有效杨氏模量；步骤3，将步骤2得到的有效杨氏模量与步骤1中实验得到的杨氏模量进行对比以确定合适的电介质三维结构模型中的界面区特性参数，根据界面区特性参数反演计算聚合物纳米复合电介质的界面区介观杨氏模量分布特性。2.根据权利要求1所述的聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法，其特征在于，所述步骤1中，利用蒙特卡洛方法建立聚合物纳米复合电介质三维结构模型，将聚合物基体和纳米填料区域的杨氏模量设置成实验得到的结果。3.根据权利要求1所述的聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法，其特征在于，所述步骤1中，采用逐渐下降的Sigmoid函数描述界面区杨氏模量的变化规律。4.根据权利要求1所述的聚合物纳米复合电介质界面区杨氏模量分析方法，其特征在于，所述步骤2的过程为：S2.1、构建聚合物纳米复合电介质的平衡微分方程；S2.2、构建聚合物纳复合电介质的几何方程和本构方程；S2.3、将几何方程代入本构方程，得到应力与位移导数的关系式；S2.4、将应力与位移导数的关系式代入平衡微分方程中，得到位移二阶导数与体积力之间的关系，即纳维
‑
柯西方程的微分形式；S2.5、将纳维
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柯西方程组转换成积分形式并使用散度定理，得到其弱解形式，根据其弱解形式得到将位移量离散化的纳维
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柯西方程；S2.6、逐个更新将位移量离散化的纳维
‑
柯西方程的位移量；S2.7、给定初始位移量，然后采用程式雅可比迭代法求解纳维
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柯西方程；通过程式雅可比迭代逐个更新位移量，然后通过位移量计算源项，然后进行下一次迭代；然后将迭代求解得到的位移量代入几何方程去计算应变，然后通过本构方程计算得到应力；S2.8、根据应力和应变，采用介质有效理论计算得到聚合物纳米复合材料的有效杨氏模量；S2.9、将Y
interface0
/Y
matrix
作为横坐标，r0/r
nano
为纵坐标，Y
matrix
为聚合物基体的杨氏模量，Y
interface0
为靠近纳米粒子表面处界面区的杨氏...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵道敏，段亚楠，高梓巍，宋小凡，郝予涛，刘文凤，王诗航，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：