碳納米管-碳纖維多尺度復(fù)合材料的層內(nèi)增剛與層間增韌的數(shù)值模擬.pdf

1、碳納米管(CarbonNanotubes，簡(jiǎn)稱CNTs)由于其高模量、高強(qiáng)度等特性，一直被認(rèn)為是理想的增強(qiáng)體材料。前期研究者在聚合物基體中直接添加CNTs以得到應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的納米復(fù)合材料，但是，該納米復(fù)合材料中出現(xiàn)了CNTs分散效果不佳、無法規(guī)則排列以及CNT/基體界面強(qiáng)度較弱等一系列問題，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有取得預(yù)期效果。
　　 近幾年，一些研究者利用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面原位生長(zhǎng)碳納米管從而制備碳納米管/碳纖維精細(xì)耦合協(xié)同

2、強(qiáng)韌化復(fù)合材料，可同時(shí)達(dá)到層內(nèi)增剛和層間增韌的效果。在這種由納米尺度CNTs、微米尺度碳纖維和環(huán)氧樹脂三相構(gòu)成的新型多尺度復(fù)合材料體系中，CNTs沿碳纖維徑向排列，且分布較均勻，嵌入層內(nèi)纖維束之間和層間單板之間的區(qū)域，構(gòu)成對(duì)復(fù)合材料的三維增強(qiáng)。此外，CNTs對(duì)層間區(qū)域裂紋面起到獨(dú)特的力學(xué)橋聯(lián)作用，能同時(shí)阻礙納米尺度和微米尺度裂紋的擴(kuò)展，并通過拔出機(jī)制吸收大量能量，可令層間斷裂韌性大幅提高。碳納米管/碳纖維精細(xì)耦合協(xié)同強(qiáng)韌化復(fù)合材料的力學(xué)

3、性質(zhì)和破壞響應(yīng)的數(shù)值模擬是一個(gè)很有價(jià)值的研究方向，通過理論分析和模擬計(jì)算建立這個(gè)多尺度材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，但目前這方面的研究工作還較少。
　　 本文主要基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)和有限元分析理論，采用多尺度模擬方法，針對(duì)碳納米管/碳纖維精細(xì)耦合協(xié)同強(qiáng)韌化復(fù)合材料體系，開展數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和力學(xué)性能的計(jì)算，解決碳納米管-碳纖維束-單層板-層合板的多層次耦合問題，重點(diǎn)研究復(fù)合材料層內(nèi)增剛和層間增韌效果。<

4、br>　　 首先，開展多尺度復(fù)合材料層內(nèi)增剛的研究，先后建立由碳納米管和環(huán)氧樹脂組成的等效基體代表體積單元，以及由等效基體和碳纖維組成的多尺度復(fù)合材料周期性代表體元，通過均質(zhì)化方法計(jì)算得到單層板的有效彈性系數(shù)。在模擬工作中，CNTs被視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，而CNTs與環(huán)氧樹脂之間以及碳纖維與等效基體之間的界面力學(xué)行為均用指數(shù)型內(nèi)聚力模型描述。同時(shí)，本文探討了CNTs體積分?jǐn)?shù)和CNT/樹脂界面強(qiáng)度這兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)層內(nèi)增剛效果的影響，得

5、到如下主要結(jié)論:(1)CNTs的存在可顯著提高多尺度復(fù)合材料的原基體主導(dǎo)的力學(xué)性能，而對(duì)纖維主導(dǎo)的復(fù)合材料力學(xué)性能的影響不明顯;(2)隨著CNTs體積分?jǐn)?shù)的增大，多尺度復(fù)合材料的橫向彈性模量近似線性增加，而縱向彈性模量幾乎無變化;(3)當(dāng)CNT/樹脂界面強(qiáng)度較小時(shí)，多尺度復(fù)合材料的橫向彈性模量隨界面強(qiáng)度增加而顯著提高，但當(dāng)界面強(qiáng)度達(dá)到一定值后，其繼續(xù)增加對(duì)橫向彈性模量的影響變小，而CNT/樹脂界面強(qiáng)度改變對(duì)多尺度復(fù)合材料的縱向彈性模量幾

6、乎無影響。
　　 其次，開展多尺度復(fù)合材料層間增韌的研究，先后建立由單根CNT和環(huán)氧樹脂組成的拔出機(jī)制模型以及層合板的雙懸臂梁模型，通過梁理論方法計(jì)算I型層間斷裂韌性。在層間區(qū)域，除了用內(nèi)聚力模型體現(xiàn)純環(huán)氧樹脂結(jié)合作用外，還構(gòu)建了均勻分布的非線性彈簧單元來代表CNTs對(duì)裂紋面的力學(xué)橋聯(lián)作用。同時(shí)，本文探討了CNTs體積分?jǐn)?shù)和CNT/樹脂界面強(qiáng)度這兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)層間增韌效果的影響，得到如下主要結(jié)論:(1)在一定范圍內(nèi)，CNTs體積

7、分?jǐn)?shù)越低，單根CNT拔出機(jī)制模型中基體的彈性變形能越高;(2)隨著CNT/樹脂界面強(qiáng)度的提高，CNTs最大拔出力和最終拔出位移均大幅增加;(3)相比傳統(tǒng)復(fù)合材料層合板，層間區(qū)域有CNTs增強(qiáng)的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)在I型裂紋擴(kuò)展過程中的載荷最大值大幅增加，I型層間斷裂韌性也顯著提高;(4)CNTs的體積分?jǐn)?shù)越大，相同體積內(nèi)的界面破壞所吸收的能量相應(yīng)地越高，故CNTs對(duì)裂紋面所起到的力學(xué)橋聯(lián)作用越明顯;(5)CNT/樹脂界面強(qiáng)度越大，相同面積的界面