隨機填料的案例
COMSOL和Matlab聯(lián)合仿真之復合材料填充建模
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(yīng)用場合。在絕緣材料中，根據(jù)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(jīng)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(xiàn)的隨機幾何建模）
其中，matlab接口是最靈活的，可以利用matlab內(nèi)置的函數(shù)，使得開發(fā)更簡單，并能開發(fā)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(gòu)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(nèi)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(tài)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(shè)置、邊界條件的設(shè)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(shù)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 研究 \\ 一種具有優(yōu)異電磁屏蔽和導熱性能的PEEK復合材料
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。
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一種用于電子器件熱管理的相變復合材料
熱導率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態(tài)，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(xù)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(gòu)建有序的導熱網(wǎng)絡(luò)。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(lǐng)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(zhì)和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發(fā)出具有優(yōu)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(fā)展有著重要作用。
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成果掠影
近期北京大學白樹林教授團隊在設(shè)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(jié)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(yīng)力的相變復合材料的策略。實驗結(jié)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(yōu)異柔性的熱界面材料（PCMs）。CF的有序排列結(jié)構(gòu)大大降低了CF與基體之間沿傳熱方向的熱阻，有效的優(yōu)化了材料的熱導率。材料中的PA通過POE網(wǎng)絡(luò)中PA分子鏈的運動賦予PCC高潛熱和熱誘導的柔韌性。POE網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定性。此外，PCM吸收的潛熱也有利于熱管理。
展開 Moldex3D模流分析之如何預(yù)測壓縮成型的纖維排向變化
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(yù)填料中，再將預(yù)填料放入預(yù)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(chǎn)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(shè)定纖維配向功能，可預(yù)測壓縮成型后纖維配向的變化。下面介紹如何在Moldex3D設(shè)置纖維配向及結(jié)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(shè)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(yù)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(yù)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?qū)⒁噪p十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預(yù)填料中，并且可以在指定的參考平面上設(shè)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(wǎng)格設(shè)置纖維方向。
材料應(yīng)含有纖維。
操作步驟
1. 建立項目
在Studio預(yù)備好一個壓縮成型(CM)項目，包含了網(wǎng)格、材料與加工條件設(shè)定，操作流程與一般的CM項目相同。
2. 材料設(shè)置
成型類型選擇「壓縮成型」，并完成實體網(wǎng)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(xù)從「纖維配向」下拉菜單中設(shè)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(shè)置纖維配向。
3. 纖維配向設(shè)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(shè)置，包括空間隨機配向、平面隨機配向及單方向配向。
A.
展開 
Shape成功優(yōu)化汽車車頂機匣零件翹曲問題
功能介紹
當選擇含有纖維的材料時，可以在軟件中設(shè)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(yù)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(yù)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?qū)⒁噪p十字圖標顯示；單方向配向是纖維在預(yù)填料中，并且可以在指定的參考平面上設(shè)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(wǎng)格設(shè)置纖維方向；
材料應(yīng)含有纖維。
大綱
為了因應(yīng)現(xiàn)代科技對減重的需求，汽車制造業(yè)將大多數(shù)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(fā)的翹曲。因此Shape Corp采用以反變形技巧為基礎(chǔ)的制程及方法重新設(shè)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(yù)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(chǎn)品如圖1所示。
圖1：車頂機匣零件
面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對
本次案例面臨的主要挑戰(zhàn)分別為「減少間隙內(nèi)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(zhàn)，因產(chǎn)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(yù)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(shù)；
避免裝配時發(fā)生問題；
減少翹曲；
改進整體產(chǎn)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(chǎn)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 綜述熱管理材料—石墨烯
對石墨烯復合材料的初步研究發(fā)現(xiàn)，即使少量的隨機石墨烯填料也能提高環(huán)氧復合材料的導熱性。石墨烯熱復合材料導熱系數(shù)的巨大差異源于制備方法、基體材料、石墨烯質(zhì)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%。最近，由于技術(shù)的發(fā)展和成本的大幅降低，石墨烯的大負荷復合材料出現(xiàn)了，情況發(fā)生了變化(見圖6)。
圖6.光學圖像和微觀形貌。
從基礎(chǔ)科學和實際應(yīng)用的角度來看，具有高負載分數(shù)的石墨烯或FLG填料的復合材料的熱性能非常有趣。高負荷導致了復合材料高的熱滲流。與電滲流相比，熱滲流是一種鮮為人知的現(xiàn)象。電滲流用標度律σ ~ (f?fE) t來描述，其中σ為復合材料的電導率，f為填料加載體積分數(shù)，fE為填料在電滲流閾值處的加載分數(shù)，t為臨界指數(shù)。與電導率不同，在大多數(shù)情況下，復合材料的導熱性不會隨著加載分數(shù)的增加而顯示出明顯的變化。利用填料優(yōu)化控制石墨烯復合材料中的電和熱滲透，并可能將石墨烯與其他電絕緣二維填料(如六方氮化硼(h-BN))結(jié)合，仍然是石墨烯熱復合材料進一步發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。
研究具有高石墨烯負載的復合材料具有很強的實際動機，例如用于電子器件散熱的更好的TIMs。市面上體積導熱系數(shù)低于5W/(mK)的TIMs已不能滿足行業(yè)要求。具有高石墨烯負載的復合材料具有提供高導熱性的潛力。最近的技術(shù)發(fā)展表明，LPE石墨烯可以大量低成本生產(chǎn)。氧化石墨烯(GO)的還原方法已經(jīng)取得了重大進展。這些發(fā)展使得石墨烯填料甚至適用于具有高負載分數(shù)的復合材料。最近的一項研究報道了石墨烯和h-BN的高負載(高達f = 45vol.%)復合材料的熱性能。
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