纳秒脉冲电场调控BNNSs介电运动的仿真与实验研究

作     者：葛欣 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：米彦

授予年度：2021年

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

主      题：纳秒脉冲电场 BNNSs粒子 介电运动 麦克斯韦应力张量 微观观察 

摘      要：在高电压与绝缘技术领域,关于外施电场调控粒子在基体中取向排列的研究己经成为热门的前沿课题,其中在针对改善高分子复合材料相关性能的方面具有巨大的应用前景。对于弱极性的绝缘微纳米粒子,需要施加高强度的脉冲电场才可以克服基体的热击穿现象,使之发生取向排列的介电运动。但是目前对于脉冲电场调控微纳米粒子介电运动的研究仍然处于初期的探索阶段,其中的机理和相关规律尚不清晰。因此,本文以弱极性的氮化硼纳米片(BNNSs)作为介电运动粒子,以较低粘度的超纯水作为流体电介质,对BNNSs在脉冲电场作用下的介电运动进行仿真与实验研究,并将两者结果对比分析,揭示粒子在脉冲电场作用下介电运动的基本原理,探究其相关规律,为工程实验研究提供理论基础与规律指导。首先,对脉冲电场作用下BNNSs介电运动的理论进行分析,由于纳秒脉冲电场窄脉宽的特性,需要判断电介质是否可以在脉冲高电压期间到达稳定的极化状态。本文根据BNNSs和超纯水电介质的极化类型和介电频谱图求解其极化时间,并将其与纳秒脉冲电场的脉宽时间进行比较。结果表明,BNNSs粒子和超纯水流体的极化时间都远小于纳秒脉冲电压的脉宽时间,说明两者均在纳秒脉冲的高电压期间到达了稳定的极化状态。在此基础上,使用基于麦克斯韦应力张量法(MST)的任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,建立了该过程的数学模型。并使用COMSOL有限元软件对其进行仿真,考虑两个BNNSs粒子不同位置对其介电运动的影响,同时为下文研究脉冲电场重复频率的影响提供前提条件。结果表明,自身初始角度α=45°、初始相对角度β=45°和初始相对距离d=2.0d*这组位置参数可以全面而又简便的反应出BNNSs粒子的相关规律,因此将其作为研究脉冲电场重复频率对BNNSs介电运动影响的最佳初始位置。然后,基于BNNSs确定的初始位置,分别仿真不同重复频率的纳秒脉冲电场作用下BNNSs粒子局部取向和全局排列的介电运动,对比分析不同重复频率时BNNSs取向角度和两粒子中心距离的变化曲线,总结不同重复频率对其影响规律。结果表明,由于累积效应,BNNSs粒子的运动速度均随着脉冲电场重复频率的增加而增加,因此取向角度和中心距离的变化均逐渐加快;且两者的变化曲线也均随着脉冲电场重复频率的增加而逐渐平滑。对于全局排列成链的过程,两个BNNSs粒子的中心距离先增大,后减小,最终形成了链状结构。最后,搭建微观观察的显微系统实验平台,实时观测BNNSs粒子在超纯水中的局部取向和全局排列的介电运动,根据拍摄的BNNSs运动照片和相关数据曲线,分析不同重复频率时BNNSs取向角度与中心距离的变化,并将实验所得的运动规律与仿真进行对比分析,得到两者的一致性和差异性。结果表明,实验与仿真中BNNSs的运动规律存在高度的一致性,且当f=100k Hz时,形成了约为342um的长链。通过实验与仿真的研究,验证了仿真模型的正确性,明确了纳秒脉冲电场重复频率对BNNSs介电运动影响的规律,确定了最佳频率范围,研究成果为纳秒脉冲电场调控绝缘纳米粒子的介电运动提供了理论基础与规律指导。