隨機填料
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2022-10-26
隨機填料的實例教程
在基底材料中添加填料制成的復合材料，被用在絕緣材料改良性能機械防腐蝕性能、導熱材料提高導熱性能等應用場合。在絕緣材料中，根據不同需要向聚合物基體添加的填料可以是補強劑、惰性填充劑、阻燃劑、防老劑及其它特殊用途填料。在提高上述性能的同時，也要保證足夠的絕緣性能。在導熱材料中，用于芯片散熱的硅脂是經典的復合導熱材料用途之一。
對這些復合材料性能的仿真研究中，需要建立隨機填料幾何模型。在COMSOL中，如果要建立大量隨機部件，直接在軟件中建模是很不方便的。
這種情況，適合采用程序化建模。具體的方法有：
1、方法或插件
3、java接口
4、matlab接口（comsol with matlab）
（上圖是采用方法實現的隨機幾何建模）
其中，matlab接口是最靈活的，可以利用matlab內置的函數，使得開發更簡單，并能開發出具有更復雜需求代碼。
COMSOL軟件提供了使用matlab建模仿真的API（COMSOL with MATLAB），可以通過編寫matlab腳本，自動構建各種隨機模型：
填料的材料可以是一種，也可以是多種；填料的形狀可以是一種，也可以是多種（球形、圓柱形、長方體等）。
上述模型是填料都在計算域內部的，也可以制作填料被邊界截斷的模型：
程序隨機填料，可以保證填料顆粒間不相交，填料的尺寸可以是相同的、等概率隨機分布、正態隨機分布等。計算域除了可以是上述模型中的長方體，也可以是圓柱體、球體等。
另外，可以代碼可以自動完成材料的設置、邊界條件的設置：
方便進行復合材料的力學性能、等效電導率、等效導熱系數等：
可以批量生成模型，計算不同填料填充率時，復合材料的物理性能：
對于這些復合材料的仿真研究，既可以研究填充率的影響，也可以研究填料尺寸的影響、長寬比比較大的材料取向的影響等。
展開 圖8.PEEK復合材料的熱管理能力，以及與隨機分散填料復合材料的對比。
END
★ 平臺聲明
部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！
熱導率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態，包括尺寸、厚度、縱橫比和排列方向。通常，具有高縱橫比、納米級厚度和超過滲透閾值的填充物會促進熱導率的增強。
然而，隨機分散的填料會導致有限的熱導率，由于不連續的導熱通路導致強烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導排列等構建有序的導熱網絡。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。
相變材料（PCM）多年來一直用于許多領域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基質和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態轉變為液態，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發出具有優異的熱導率以及柔性的導熱復合相變材料對于電子器件的進一步發展有著重要作用。
02
成果掠影
近期北京大學白樹林教授團隊在設計制備導熱相變復合材料方面取得新進展。在本文中提出了一種通過結合有序排列的碳纖維CF和丙烯基彈性體(POE)包裹石蠟(PA)來制備具有高潛熱和低壓縮應力的相變復合材料的策略。實驗結果表明通過高導熱碳纖維束 (CF) 和聚合物相變材料的組合制備了具有超高熱導率（高達168.4 W/(mK)）和優異柔性的熱界面材料（PCMs）。CF的有序排列結構大大降低了CF與基體之間沿傳熱方向的熱阻，有效的優化了材料的熱導率。材料中的PA通過POE網絡中PA分子鏈的運動賦予PCC高潛熱和熱誘導的柔韌性。POE網絡和CF陣列有利于PA的封裝，保持良好的防泄漏能力和形狀穩定性。此外，PCM吸收的潛熱也有利于熱管理。
展開 纖維增強塑料常用于提高機械強度；為了避免纖維在射出成型過程中斷裂問題，一般多采用壓縮成型，即將纖維混合到預填料中，再將預填料放入預熱的模穴中直到固化，以保持長纖維的良好物理性能。然而在壓縮的過程中，壓縮行為會改變纖維排向，進而影響流動行為、產品強度和翹曲行為。為有效掌握纖維配向的影響，Moldex3D的壓縮成型模塊支持設定纖維配向功能，可預測壓縮成型后纖維配向的變化。下面介紹如何在Moldex3D設置纖維配向及結果檢視。
功能介紹
當選擇含有纖維的材料時，可以在軟件中設置三種纖維配向：空間隨機配向，平面隨機配向和單方向配向?？臻g隨機配向表示纖維在預填料中沒有方向可循，纖維配向不會顯示在模型樹中；平面隨機配向則是纖維在預填料中隨機排列在指定的參考平面上，纖維配向可以在模型樹中顯示，纖維方向將以雙十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預填料中，并且可以在指定的參考平面上設置纖維配向，纖維配向可以在模型樹中顯示，且會以已指定方向顯示。
使用限制：
成型類型須選擇壓縮成型。
僅支持實體網格設置纖維方向。
材料應含有纖維。
操作步驟
1. 建立項目
在Studio預備好一個壓縮成型(CM)項目，包含了網格、材料與加工條件設定，操作流程與一般的CM項目相同。
2. 材料設置
成型類型選擇「壓縮成型」，并完成實體網格建置后，材料樹將會顯示纖維配向字段。選擇含纖維材料，「纖維配向」列將顯示「未指定」，可以繼續從「纖維配向」下拉菜單中設置纖維配向。
注：若選擇非含纖材料，「纖維配向」列將顯示「無纖維」，且無法設置纖維配向。
3. 纖維配向設置
從纖維配向下拉菜單中打開纖維配向窗口，有三種類型的纖維配向可以設置，包括空間隨機配向、平面隨機配向及單方向配向。
A.
展開 功能介紹
當選擇含有纖維的材料時，可以在軟件中設置三種纖維配向：「空間隨機配向」、「平面隨機配向」和「單方向配向」。空間隨機配向表示纖維在預填料中沒有方向可循，纖維配向不會顯示在模型樹中；平面隨機配向則是纖維在預填料中隨機排列在指定的參考平面上，纖維配向可以在模型樹中顯示，纖維方向將以雙十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預填料中，并且可以在指定的參考平面上設置纖維配向，纖維配向可以在模型樹中顯示，且會以已指定方向顯示。
使用限制
成型類型須選擇壓縮成型；
僅支持實體網格設置纖維方向；
材料應含有纖維。
大綱
為了因應現代科技對減重的需求，汽車制造業將大多數的鋼制零件替換成塑料制零件。但塑料件制造的一大問題是因尺寸及厚度而引發的翹曲。因此Shape Corp采用以反變形技巧為基礎的制程及方法重新設計零件，以求減少翹曲。Moldex3D解決方案能從軟件將逆模型導出，以預測并解決翹曲，并可讓模具制造者補償模具中不可避免的變形情況。Shape的產品如圖1所示。
圖1：車頂機匣零件
面臨的挑戰與應對
本次案例面臨的主要挑戰分別為「減少間隙內的翹曲及零件組裝的填隙公差」及「幾何特征的翹曲超過容許范圍」。
對于上述提到的挑戰，因產品有修改限制，能減少翹曲的范圍非常有限。因此Shape選擇將零件預先反翹曲一個比例，以減少整體翹曲。帶來的效益如下：
降低機臺噸數；
避免裝配時發生問題；
減少翹曲；
改進整體產能。
案例研究
本案例主要目的是解決車頂機匣零件的翹曲問題，此產品對成品尺寸精度有特定要求，有多個位置需和其他零件進行組裝，如圖2組裝圖所示。
展開 
隨機填料的最新內容
空間隨機配向表示纖維在預填料中沒有方向可循，纖維配向不會顯示在模型樹中；平面隨機配向則是纖維在預填料中隨機排列在指定的參考平面上，纖維配向可以在模型樹中顯示，纖維方向將以雙十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預填料中，并且可以在指定的參考平面上設置纖維配向，纖維配向可以在模型樹中顯示，且會以已指定方向顯示。
對石墨烯復合材料的初步研究發現，即使少量的隨機石墨烯填料也能提高環氧復合材料的導熱性。石墨烯熱復合材料導熱系數的巨大差異源于制備方法、基體材料、石墨烯質量、石墨烯填料橫向尺寸和厚度等因素的差異。早期對石墨烯填料熱復合材料的研究大多局限于填料的低負荷組分，f < 10vol%。
圖8.PEEK復合材料的熱管理能力，以及與隨機分散填料復合材料的對比。
然而，隨機分散的填料會導致有限的熱導率，由于不連續的導熱通路導致強烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導排列等構建有序的導熱網絡。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。
相變材料（PCM）多年來一直用于許多領域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。
空間隨機配向表示纖維在預填料中沒有方向可循，纖維配向不會顯示在模型樹中；平面隨機配向則是纖維在預填料中隨機排列在指定的參考平面上，纖維配向可以在模型樹中顯示，纖維方向將以雙十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預填料中，并且可以在指定的參考平面上設置纖維配向，纖維配向可以在模型樹中顯示，且會以已指定方向顯示。
使用限制：
成型類型須選擇壓縮成型。
對這些復合材料性能的仿真研究中，需要建立隨機填料幾何模型。在COMSOL中，如果要建立大量隨機部件，直接在軟件中建模是很不方便的。
這種情況，適合采用程序化建模。
