[发明专利]一种适用硬质颗粒、软化夹杂及含中间相的粒子型复合材料逾渗阈值测定方法

说明书

本发明公开了一种适用硬质颗粒、软化夹杂及含中间相的粒子型复合材料逾渗阈值测定方法，包括：基于中间相厚度缩减，给出硬质颗粒体系的逾渗阈值测定方法；基于Maxwell均质化方案、体积平均去极化因子、散射张量，给出含厚中间相的颗粒体系的逾渗阈值测定方法；考虑短程排斥场、长程散射场的关联影响，以关联比例构造插值函数；基于中间相的相对厚度参数和构造的插值函数，给出任意厚度中间相的非球形颗粒体系的逾渗阈值测定方法。本发明克服了现有理论技术不能涵盖广泛的非球形颗粒体系，不能量化中间相演变影响下的材料逾渗特性，攻克了数值模拟效率低、精度难以保证的技术瓶颈，使截然不同的粒子型复合材料的逾渗相变能够被有效测定。

技术领域

本发明属于复合材料微观力学和材料工程技术领域，包含了Bethe晶格逾渗模型，连续逾渗模型，尺度理论，Maxwell均质化，胶体作用场等理论方法，涉及硬质、软化、含中间相的粒子型复合材料的演变方法，具体涉及一种适用硬质颗粒、软化夹杂及含中间相的粒子型复合材料逾渗阈值测定方法。

背景技术

近年来，颗粒增强材料，碳纤维材料，陶瓷基材料和石墨烯材料等具有优异刚度、强度、导热和导电性能的材料被广泛应用。为此，表征材料的组构特征与其性能十分关键。从实验上量化两者的关联是昂贵且耗时的，因此从理论上进行合理地预测和阐明十分关键。一些理论采用Maxwell等效场，Mori-Tanaka模型、微分有效介质理论、广义自洽模型等来表征材料的力学和传输性能，但是这些早期的理论往往存在一定的限制，如：低密度假设、规则的夹杂形貌特征、夹杂完美复合于基质等。此外，一些理论还不能呈现材料内部组构发生逾渗导致其性能发生突变的行为。在自然界中，一些硬颗粒、纤维的逾渗可能伴随着材料刚性承载能力的出现，一些软夹杂、软胶体的逾渗可能导致胶凝、沉积以及孔隙、裂纹的蔓延。然而，颗粒体系的逾渗类型繁多，在实验和数值研究中往往需要将不同体系分开考量无法将其归纳于统一框架。因此，发明一个对材料内部组构逾渗阈值精准预测的普适性方法是设计材料的关键因素所在。一方面，粒子可能属于硬质，软化以及具有中间相的硬核-软壳平行结构等不同类型，另一方面，粒子之间还存在着不可控的交互影响。

当前逾渗阈值的预测方法忽略了中间相在空间构型的演变连续性，仍缺少一个稳健的、普适性的逾渗特性测定方法，使其可以涵盖从经典的硬核-软壳模型演变过渡到硬质颗粒体系及软化夹杂体系这两种极端情况。因此，建立一种概念清晰、操作便利、适用范围广的测定方法，量化中间相组构信息，囊括不同类型的非球形粒子型复合材料，测定相应类型材料的逾渗阈值是当务之急。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种适用硬质颗粒、软化夹杂及含中间相的粒子型复合材料逾渗阈值测定方法，该方法概念清晰、操作简便，对于其在复合材料领域的应用推广有重要意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种适用硬质颗粒、软化夹杂及含中间相的粒子型复合材料逾渗阈值测定方法，包括以下步骤：

S1：基于中间相厚度缩减，给出硬质颗粒体系的逾渗阈值测定方法，获取到两相粒子型复合材料中硬质粒子的逾渗阈值的隐函数；

S2：基于Maxwell均质化方案、体积平均去极化因子、散射张量，远场匹配推导粒子型复合材料的自洽关系，基于散射张量的逾渗极限比例，给出含厚中间相的颗粒体系的逾渗阈值测定方法，获取到含厚中间相的颗粒体系的逾渗阈值的隐函数；

S3：考虑短程排斥场、长程散射场的关联影响，以关联比例构造插值函数；

S4：基于中间相的相对厚度参数和构造的插值函数，设计非球形颗粒体系的插值关联场，给出任意厚度中间相的非球形颗粒体系的逾渗阈值测定方法，获取到任意厚度中间相的非球形颗粒体系的逾渗阈值。

进一步地，所述步骤S1具体为：

利用中间相厚度t→0(趋向于0)的极限，获得硬颗粒的平均接触数Z_MF，表示为：