复合材料电极细观建模与力电性能预报

作     者：张泽天 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈吉安;赵海涛

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：多孔电极 复合材料 单胞 模量预测 电化学模型 

摘      要：复合材料电极基体存在复杂的三维交联孔洞结构,其内部孔隙由不承载的导电相填充,与传统的纤维增强复合材料微观结构有较大区别,采用传统细观力学分析方法建模困难。本文针对应用于多功能结构电池的多孔复合电极材料,提出了三维随机生长算法对复合材料电极基体的复杂孔洞交联结构进行细观建模,建立了反映真实微观复杂结构的复合材料细观力学单胞模型,并采用均匀化方法对电极材料的宏观等效弹性性能进行仿真。同时搭建了锂电池单粒子电化学模型,对复合材料电极的放电特性进行分析,为将来的多功能结构电池力电耦合研究作基础。研究内容主要有以下几个方面:1、基于MATLAB编程语言和逆向工程软件建立了一种参数化的复杂微观结构单胞模型生成方法。该算法基于蒙特卡洛原理,通过三维空间栅格内的点核在空间26个方向上的随机选择生长来模拟基体材料的形成过程,实现对复合材料电极的三维孔洞微观结构的模拟,最后通过参数化方法将点云数据转换成反映材料真实结构的三维实体模型。该方法可满足复杂孔洞交联结构细观建模的需要。2、基于三维随机生长算法建立具有复杂微观结构的细观力学单胞模型,在Abaqus平台上对复合材料单胞模型的宏观力学性能进行计算,计算结果与文献材料测试数据相吻合,表明建模方法和计算过程的准确性。并研究了树脂/基体百分数及各组分性能参数对材料宏观力学性能的影响,为复合材料电极的力学性能设计与优化提供依据。3、基于锂离子电池的单粒子电化学模型,在Matlab平台上对复合材料结构电池的放电性能进行仿真,将电极材料的细观结构参数和相关文献中的磷酸铁锂电池的电化学参数带入电化学模型中,研究了放电倍率、应力状态很负极弹性模量对复合材料电极放电特性的影响。本文的创新点在于针对一种多功能材料,采用随机生长方法建立了单胞分析模型,为将来多功能结构的力电耦合分析打下基础。