力热作用下复合介质板的数值模拟毕业论文
2021-10-18 21:58:34
摘 要
聚四氟乙烯（PTFE）基复合电介质基板具有一系列优点，例如介电常数低和介电损耗低等。目前这是是最合适的微波介电材料。在现代微波通信和雷达技术的飞速发展的推动下，已经在无线网络，卫星导航，雷达通信等领域占距越来越重要的地位，成为各国研究的热门。高性能的PTFE复合基板材的研究在现阶段具有非常高的商业价值和非常重要的科技意义。作为材料的重要物理参数，PTFE的热膨胀系数在其复合产品的设计和使用方面有很大的影响。PTFE材料本身的虽然应用温度范围很广，但在会发生相变现象，由此产生一些不利的结构和体积变化。并且材料本身具有较大的线性热膨胀系数和较低的表面能，在作为微波介质材料使用时有很多局限性。通过将其与表面能相差较大的无机陶瓷填料如SiO2等有效地混合，进而达到改善材料特性的目的，一直是微波复合介质的研究课题。
本文借助COMSOL软件中的固体力学和固体传热模块来进行模拟，对不同情况下复合介质板的热膨胀系数进行了比较，所得结果对于微波复合介质板的应用具有重要的指导意义。
论文主要研究了SiO2和PTFE在9:11、1:1、11:9三种不同质量比时，复合介质板的性质。
研究结果表明：加入SiO2能使介质板的寿命更高，膨胀更均匀，热膨胀系数降低，随着加入SiO2量的增多，热膨胀系数进一步减小，在PTFE和SiO2质量比为9:11时热膨胀系数降低到6.094×10-20（m3/K）。按照本文采用的方法，在SiO2含量达到56.98%时，出现热膨胀系数的最小值5.8089×10-20（m3/K）。
本文的特色：利用COMSOL软件进行几何建模，而不是用实验方法对热膨胀系数进行测量。
关键词：COMSOL软件；聚四氟乙烯；热膨胀系数
Abstract
Polytetrafluoroethylene (PTFE)-based composite dielectric substrate has a series of advantages, such as low dielectric constant and low dielectric loss. This is currently the most suitable microwave dielectric material. Driven by the rapid development of modern microwave communications and radar technology, it has become more and more important in the fields of wireless networks, satellite navigation, and radar communications, and has become a research hot topic in various countries.At present, the research of high-performance PTFE composite plate has very high commercial value and very important scientific and technological significance. As an important physical parameter of materials, the thermal expansion coefficient of PTFE has a great influence on the design and use of its composite products. Although the application temperature range of PTFE material is very wide, the phase transformation phenomenon will occur, resulting in some adverse structural and volume changes. And the material itself has a large coefficient of linear thermal expansion and a low surface energy, so it has many limitations when used as a microwave dielectric material. It has always been a research topic of microwave composite media to improve the material properties by effectively mixing it with inorganic ceramic fillers such as SiO2 which have a large difference in surface energy.
In this paper, the influence of the mass ratio of SiO2 and PTFE on the thermal expansion coefficient of the composite plate is studied.
The results show that SiO2 can increase the service life of the medium plate, make the expansion more uniform and reduce the coefficient of thermal expansion. With the increase of SiO2, the coefficient of thermal expansion further decreases. When the mass ratio of PTFE and SiO2 is 9:11, the coefficient of thermal expansion decreases to 6.094 × 10-20 (m3 / k). Guess there should be some kind of best balance.
The feature of this paper is to use COMSOL software for geometric modeling rather than experimental method to measure the coefficient of thermal expansion.
Key words: COMSOL software; Polytetrafluoroethylene ; thermal expansion coefficient
目 录
第1章 绪论 1
1.1. 研究背景 1
1.2. 聚四氟乙烯 2
1.2.1.聚四氟乙烯的结构与性质 3
1.2.2.聚四氟乙烯改性 4
1.2.3.纳米粒子填充 5
1.3.热膨胀系数 6
1.4.国内外对于PTFE改性的研究现状以及COMSOL软件的使用情况 7
1.5.本文的目的，内容及意义 9
第2章 实验部分 10
2.1.实验软件 10
2.2.建立三维模型 11
2.2.1.添加材料 12
2.2.2.添加物理场 12
2.2.3.构建网络 12
2.2.4.计算 13
第3章分析与计算 14
3.1.引言 14
3.2.结果与分析 14
3.2.1位移图分析 14
3.2.2应力图分析 15
3.2.3.热膨胀分析 16
第4章结论与展望 20
4.1.结论 20
4.2.展望 20
参考文献 21
致谢 23
附录1 24
附录2 25
第1章 绪论
1.1.研究背景
人们的生活水平随着科技的发展不断变化，需求也在逐渐升高，近年来，人们对于现代化技术的需求不断提高，现代化技术在不断地快速发展与革新，整个社会已经实现了高度的信息化。现代化时代的到来对电子设备的要求也在逐步更新，电子设备的频率变得越来越高。而且手机电脑等已经走进每个人身边，融入了大家的正常生活工作之中。然而传统的印刷电路存在介电性能较差、热膨胀系数较大、等等诸多缺点，在如今的大环境下已经不适用于高频设计的要求。在这些制造与设计的要求之下，复合介质电路基板的性能也需要更高的水平。从而处理更多的数据，使信号更快速。符合生产要求的高频微波复合介质电路基板材料目前备受关注，是人们研究的热点问题。研究不同方法对材料属性的影响为材料的生产提供条件，具有很大的经济价值。
在满足信号高速传输的同时，还要保证信号损耗小，延时时间短等条件[1]。由介电常数和信号传输的公式我们可以知道二者成反比关系，这很好理解，为保证传输效率必须减少损耗。如果材料的介电常数降低能够降低，那么将有效地减少信号传输的延迟。接着我们再考虑信号衰弱的影响，介质损耗与信号衰减的关系是反比关系，我们需要的是拥有小介电损耗的材料。由上述可得高频对于复合介质板提出的要求是较小的介电常数和介电损耗。我们就必须选用介电常数最小的树脂基板材料。这时聚四氟乙烯（PTFE）便走进了我们的视野，PTFE拥有非常好的微波介电性能，材料的介电常数和介电损耗都不高，并且稳定性强，耐腐蚀能力好，是现阶段作为微波复合介质板最好的材料。
表 1.1 常见树脂的介电常数和介电损耗
树脂 | 介电常数 | 介电损耗 |
环氧树脂（EP） | 3.0-3.4 | 0.0.1-0.030 |
聚酯树脂（PAK） | 2.8-3.1 | 0.005-0.020 |
酚醛树脂（PF） | 3.1-3.5 | 0.030-0.036 |
聚酰亚胺（PI） | 2.7-3.5 | 0.005-0.008 |
有机硅树脂（SI） | 2.8-2.9 | 0.002-0.006 |
聚苯硫醚（PPS） | 3.0 | 0.02 |
聚四氟乙烯（PTFE） | 2.1 | 0.004 |
也是目前使用最广泛的微波电路板基板制造材料。但是也存在一些问题，由于PTFE材料本身具有局限性，材料刚性差，热膨胀系数较大，单独使用并不能达到标准。因此一般使用 SiO2 等无机物作为增强材料来实现填充改性，使PTFE的热膨胀系数降低[2]。
