金属聚合物复合材料的电树枝生长模拟.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaut．caSin／caNov．252014V01．35No．113182—3189ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．CRdoi：10．7527／S1000—6893．2014．0005金属聚合物复合材料的电树枝生长模拟姬尧尧，王富生*，岳珠峰，刘志强西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安710129摘要：为了研究金属聚合物复合材料的击穿特性，在WZ模型的基础上建立了在绝缘聚合物介质中

2、填充不同体积浓度的理想金属粒子的逾渗模型。利用计算机对放电通道的发展进行仿真，并对得到的仿真图形进行比较，研究了金属颗粒的体积浓度、下极板施加的电压、放电通道内的阈值电压和树点发展的概率指数对放电通道发展的影响。结果表明，金属粒子体积浓度越大，则放电树枝分枝越多。因此，填充金属颗粒可以明显地增强绝缘介质的导电性，其中逾渗阈值为0．6。下极板施加的电压越大，放电通道内的阈值电压和树点发展的概率指数越小，则放电树枝分枝越多，同时放电树枝生长过程中的积累损伤越大，该规律与实际放电情况相符合。关键词：复合材料；金属颗粒；介质击穿；阈值

3、电压；逾渗中图分类号：V257文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)11-3182—08在聚合物基体中填充金属颗粒制备的导电高分子复合材料因其优良的电磁性能，被广泛地应用于飞机电磁干扰屏蔽、无线电频率干扰屏蔽、抗静电油箱、导电胶黏剂、飞机内微电子电路元件和导电涂料等领域[1]。当飞机遭遇雷击后，雷电流直接附着在飞机结构上，会对复合材料造成严重的破坏[2]。导电高分子复合材料在雷电等高电压作用下会发生击穿，此时形成的放电通道图形非常复杂，除了电场分布和随机因素外，还有很多其他因素都对电树的发展有较大的影响，因此，

4、描述这类击穿现象非常困难。分形几何是一种研究和处理自然界与工程中不规则图形的强有力的工具，多用来模拟绝缘介质击穿的发展[3。5]。为了模拟绝缘体中放电通道的生长，人们提出了不同的分形生长随机模型。1984年，Niemeyer等[6]首次利用分形理论提出了介质击穿理论，即NPW(NiemeyerPietroneroWiesmann)模型。Wiesmann和ZellerL70在NPW模型的基础上引入了电树发展过程中的放电阈值电压和电树通道内部的电压降，建立了WZ(WiesmannZelle)模型。Quifiae胡等在电介质击穿过程

5、中引入电容器概念，提出了CDB(CapacitiveDielectricBreakdown)模型。但是以上模型模拟的都是均匀绝缘体中的电树发展，为了研究复合材料电介质的击穿特性，近年来国内外学者通过在电介质中加入纳米颗粒、金属和嵌入屏障等进行了大量电击穿特性的相关研究p‘1¨，对电树枝的生长形态进行了模拟口}H]。最具代表性的是文献[15]和文献[16]中提出的方格子逾渗模型，模拟了含有不同介电常数杂质的复合材料的电树枝生长。但是，上述逾渗模型存在着明显的不足，如在一定的电压下，假设放电树收稿日期：2013—11-27；退修日

6、期：2014—01．06；录用日期：2014．03-03；网络出版时间：2014-03-0714：16网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／107527／S1000．6893．2014．0005，hlmI基金项目：高等学校学科创新引智计划(B07050)；航空科学基金(2013ZF53068)；西北工业大学基础研究基金(JC20110257)*通讯作者．Tel．：029—88431002E-mail：fswang@nwpu．educn引用格武：J／YY．WangFS，YueZF．etal．Simulat

7、ionofelectricaltreegrowthinmetal-loadedcomposites!J]．ActaAeronautzcaetAs-tronauticaSin_fca．2014。35(¨)：3182-3189．姬尧尧，壬富生．岳珠峰．等．金属聚合物复合材辩的电树技生长模拟￡J]．航空学撮。2014．35(11)：3182-3189姬尧尧等：金属聚合物复合材料的电树枝生长模拟枝在绝缘介质中生长了一段距离，在纵向上余下的绝缘介质会承受更大的电场强度，从而电介质会不断被击穿。但是在实际情况中，电树枝生长到一定的长度后，

8、生长速度会变小，甚至会停止生长[17

9、。上述模型并未考虑放电阈值电压和通道内电压降，而是认为初始放电树枝一旦形成，则一定能生长到与之相对的电极，这显然与事实不相符合。因此，本文在前人已建立的逾渗模型的基础上，考虑电树发展过程中的放电阈值电压和电树通道内部的电压降，模拟金属聚合