碳納米管拔出規(guī)律分子動(dòng)力學(xué)和多尺度增強(qiáng)復(fù)合材料研究.pdf

1、分層是限制層合復(fù)合材料應(yīng)用的主要因素。為了增強(qiáng)復(fù)合材料沿厚度方向的力學(xué)性能和增強(qiáng)層合復(fù)合材料的層間韌性,編織、縫合及鉚釘?shù)燃夹g(shù)通過(guò)在層合復(fù)合材料厚度方向上加入增強(qiáng)纖維線來(lái)解決分層問(wèn)題,并取得了不錯(cuò)的效果。但是這些技術(shù)不可避免的對(duì)原有的復(fù)合材料纖維束造成損傷,降低材料的面內(nèi)性能。在復(fù)合材料樹脂基體中加入納米級(jí)的增強(qiáng)體材料來(lái)增強(qiáng)復(fù)合材料基體的力學(xué)性能成為進(jìn)一步研究的必然選擇。
　　學(xué)術(shù)界展開了用碳納米管作為增強(qiáng)體在宏觀尺度上增強(qiáng)復(fù)合材

2、料的層間結(jié)合強(qiáng)度的研究,納米材料技術(shù)開始嘗試制備含有可貫穿層間的碳納米管復(fù)合材料。
　　近年來(lái),納米針和納米線被接枝在碳纖維的表面,利用碳納米管(CNT)優(yōu)異的力學(xué)性能來(lái)增強(qiáng)碳纖維與樹脂的界面強(qiáng)度,希望通過(guò)細(xì)觀尺度上的性能改進(jìn)來(lái)改善復(fù)合材料的面外性能?；瘜W(xué)氣象沉積(CVD)方法能在碳化硅纖維布的表面生長(zhǎng)排列整齊的碳納米管束,碳納米管的長(zhǎng)度到達(dá)60μm,可以直接增加復(fù)合材料的層間韌性。該纖維布制成的層合材料,經(jīng)過(guò)末端刻痕彎曲實(shí)驗(yàn)(E

3、NF)和雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)(DCB),證實(shí)了長(zhǎng)碳納米管對(duì)材料層間韌性的大幅改善?；瘜W(xué)方法,如用酰胺鍵和聚酰胺-胺大分子(PAMAM)將碳納米管連接在碳纖維表面,該種增強(qiáng)纖維的界面性能也得到了明顯的改進(jìn)。
　　本文介紹了國(guó)內(nèi)外的碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展,分析了碳納米管增韌機(jī)制和效果,計(jì)算了碳納米管拔出的拉力規(guī)律,總結(jié)了碳納米管對(duì)纖維\基體界面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律,并研究了碳納米管大角度斜拔出斷裂和碳納米管橫、縱裂紋斷裂現(xiàn)象等問(wèn)題。

4、r>　　本文采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬研究碳納米管從基體拔出過(guò)程中碳納米管和周圍基體的相互作用。本文研究碳納米管半徑、長(zhǎng)度和載荷條件對(duì)碳納米管拔出過(guò)程的影響。文章建立了計(jì)算碳納米管拔出拉力位移曲線的公式,并將這一規(guī)律與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,得到證實(shí)。
　　本文用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了含有碳納米管的碳纖維界面代表單元的剪切行為,分析了多壁碳納米管對(duì)界面剪切剛度和強(qiáng)度的提高作用。基于模擬結(jié)果建立了兩個(gè)簡(jiǎn)單的混合率公式來(lái)預(yù)測(cè)含有碳納米管的界

5、面層剪切強(qiáng)度和剛度。單絲微滴脫粘試驗(yàn)和單絲段裂試驗(yàn)測(cè)得纖維原絲和含有碳納米管的碳纖維絲的界面強(qiáng)度,并證實(shí)了本文提出的混合率公式的有效性。
　　分子動(dòng)力學(xué)模擬研究多壁碳納米管有橫、縱裂紋斷裂的拔出行為,給出了多類可能的多壁碳納米管橫裂紋斷裂拔出模式。模擬證明了在碳納米管的拔出過(guò)程中碳納米管表面的裂紋會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋會(huì)張開和擴(kuò)展,并導(dǎo)致碳納米管斷裂。碳納米管表面微小的裂紋和缺陷,產(chǎn)生的應(yīng)力集中不大。模擬同樣證明碳納米管拔出過(guò)程中存

6、在劍鞘拔出模式,會(huì)卸載碳納米管拔出拉力。碳納米管的斷裂和損傷會(huì)大幅減小碳納米管拔出提供的增韌能力。
　　分子模擬同樣研究了碳納米管斜拔出角度對(duì)碳納米管拔出拉力的影響。模擬發(fā)現(xiàn)碳納米管大角度斜拔出(≥45°)會(huì)碳納米管更容易斷裂。模擬同樣證明了斜拔出過(guò)程中碳納米管橫截面會(huì)被壓縮成橢圓形,碳納米管在斜拔出過(guò)程中會(huì)損失部分抗彎剛度。模擬還給出了碳納米管拔出吸收的能量和斜拔出角度的關(guān)系曲線。
　　連續(xù)力學(xué)的有限元模型同樣被用于衡量長(zhǎng)