納米復(fù)合材料中增強(qiáng)相與典型缺陷干涉機(jī)理研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，納米復(fù)合材料表現(xiàn)出了很多優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、微電子、光學(xué)、化工、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。然而由于納米復(fù)合材料本身微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，造成在材料宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系上缺乏全面系統(tǒng)的研究，直接阻礙著納米復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。因此，建立定量模型研究納米復(fù)合材料中納米增強(qiáng)相與各種缺陷干涉的新機(jī)理是當(dāng)前十分重要和迫切的任務(wù)。
　　本文以納米復(fù)合材料為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了其中的納米增強(qiáng)相與

2、位錯、向錯、裂紋等各類缺陷的相互干涉效應(yīng)及其與材料強(qiáng)度和斷裂韌度的關(guān)系?；趯?shí)驗觀測現(xiàn)象，建立了相關(guān)的力學(xué)模型，綜合運(yùn)用彈性復(fù)勢方法和連續(xù)位錯模型法，得到了系列復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)問題的精確解答。通過數(shù)值結(jié)果系統(tǒng)地討論了夾雜半徑、夾雜分布、位錯位置、裂紋長度、涂層厚度、材料彈性失配以及界面應(yīng)力等因素對位錯力、位錯平衡位置、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、能量釋放率等的影響規(guī)律。本文不僅豐富和發(fā)展了彈性理論的復(fù)勢方法，還可以為納米復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)

3、依據(jù)。主要研究成果如下:
　　(1)采用表/界面應(yīng)力模型，研究了納米線環(huán)形涂層中螺型位錯偶極子與納米線的干涉效應(yīng)。運(yùn)用彈性復(fù)勢方法，獲得了納米線和涂層兩個區(qū)域復(fù)勢函數(shù)的精確表達(dá)式以及作用在螺型位錯上像力的解析表達(dá)式。詳細(xì)分析了納米線尺寸、涂層厚度、材料彈性失配以及界面應(yīng)力等對納米線涂層中螺型位錯偶極子運(yùn)動和平衡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，考慮界面應(yīng)力后，界面發(fā)生了局部的硬化和軟化，使硬納米線可以吸引位錯偶極子，而軟納米線可以排斥位

4、錯偶極子。納米線的半徑越小，界面應(yīng)力對位錯力的影響越大。當(dāng)納米線的半徑較小時，位錯力對半徑的尺度依賴效應(yīng)非常明顯，相反，當(dāng)納米線半徑較大時，界面應(yīng)力的影響可以忽略不計。另外，界面應(yīng)力不僅可以改變涂層中螺型位錯偶極子的平衡點(diǎn)數(shù)量，還可以改變臨界涂層厚度。
　　(2)利用連續(xù)位錯模型法，研究了在外力作用下夾雜和刃型位錯同時存在時對有限長裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。通過數(shù)值求解柯西型奇異積分方程，獲得了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。詳細(xì)討論了材料彈性

5、失配、刃型位錯位置以及夾雜半徑對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著刃型位錯位置的變化，刃型位錯有可能屏蔽或者反屏蔽裂紋尖端，并且刃型位錯離裂紋尖端越近，刃型位錯的影響越大。不同于在外力作用下的情形，在刃型位錯作用下，隨著刃型位錯位置的變化，軟夾雜和硬夾雜都有可能屏蔽或者反屏蔽裂紋尖端，而且刃型位錯離夾雜越近，夾雜對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響越大。在單軸拉伸加載下，硬夾雜屏蔽裂紋尖端，軟夾雜反屏蔽裂紋尖端，夾雜和刃型位錯對裂紋

6、擴(kuò)展的影響存在競爭關(guān)系。當(dāng)刃型位錯和裂紋之間的距離小于一定值時，刃型位錯是影響裂紋擴(kuò)展更重要的因素。當(dāng)刃型位錯與裂紋之間的距離等于一定值時，刃型位錯和夾雜抵消彼此的影響。當(dāng)刃型位錯與裂紋之間的距離大于一定值時，夾雜對裂紋擴(kuò)展的影響占主導(dǎo)地位。
　　(3)利用表/界面應(yīng)力模型，研究了在拉伸加載下納米夾雜內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展問題。運(yùn)用連續(xù)位錯模型法，獲得了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。揭示了界面應(yīng)力、材料彈性失配、裂紋長度以及納米夾雜半徑對裂紋尖

7、端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在單軸拉伸加載下，正（負(fù)）的界面殘余應(yīng)力和正（負(fù)）的界面彈性常數(shù)都減小（增大）裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。在正（負(fù)）界面殘余應(yīng)力的作用下，硬基體增大（減?。┝鸭y尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，而軟基體減?。ㄔ龃螅┝鸭y尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。隨著裂紋尖端趨近于界面，納米夾雜和基體之間彈性失配的影響增強(qiáng)，界面應(yīng)力的影響同樣增強(qiáng)。隨著納米夾雜半徑的減小，界面殘余應(yīng)力和界面彈性常數(shù)對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響增大。在正界面殘余應(yīng)

8、力作用下，當(dāng)半徑減小到一定值時，即使存在外力，裂紋也不會擴(kuò)展。
　　(4)通過運(yùn)用楔形向錯四極子模型來模擬孿晶，研究了納米復(fù)合材料中納米夾雜對孿晶和晶界交叉處裂紋形核和Zener裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。納米夾雜和基體的界面條件通過引入界面應(yīng)力進(jìn)行修正。詳細(xì)探討了納米夾雜剪切模量，半徑、位置、界面應(yīng)力和外力等對納米裂紋形核和Zener裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在外力作用下，硬的納米夾雜抑制納米裂紋的形核和Zener裂紋的擴(kuò)展，而軟的