碳納米管拔出規(guī)律分子動力學(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)通過在層合復(fù)合材料厚度方向上加入增強(qiáng)纖維線來解決分層問題,并取得了不錯的效果。但是這些技術(shù)不可避免的對原有的復(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的增強(qiáng)體材料來增強(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,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)性能來增強(qiáng)碳纖維與樹脂的界面強(qiáng)度,希望通過細(xì)觀尺度上的性能改進(jìn)來改善復(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排列整齊的碳納米管束,碳納米管的長度到達(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)了長碳納米管對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)象等問題。

4、r>　　本文采用分子動力學(xué)(MD)模擬研究碳納米管從基體拔出過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、長度和載荷條件對碳納米管拔出過程的影響。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)果對比,得到證實(shí)。
　　本文用分子動力學(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)果建立了兩個簡單的混合率公式來預(yù)測含有碳納米管的界

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程中碳納米管表面的裂紋會產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋會張開和擴(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程中存

6、在劍鞘拔出模式,會卸載碳納米管拔出拉力。碳納米管的斷裂和損傷會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°)會碳納米管更容易斷裂。模擬同樣證明了斜拔出過程中碳納米管橫截面會被壓縮成橢圓形,碳納米管在斜拔出過程中會損失部分抗彎剛度。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