碳納米管-碳纖維多尺度復(fù)合材料界面增強(qiáng)機(jī)理研究.pdf

1、與傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比,碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)復(fù)合材料具有高界面強(qiáng)度及界面韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能,對(duì)航空航天及其它高科技領(lǐng)域的發(fā)展具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而對(duì)于這種多尺度復(fù)合材料界面失效機(jī)理(碳納米管從碳纖維表面剝離以及碳納米管從基體中的傾斜拔出)的研究目前國內(nèi)外尚處于起步階段。本文采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法對(duì)上述兩種失效機(jī)理進(jìn)行了深入研究,從而為這種多尺度增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　定量地確定了碳納米管與碳

2、纖維之間的接枝力。對(duì)于采用化學(xué)接枝法得到的碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳納米管與碳纖維之間存在較大幅度的接枝強(qiáng)度(5-90MPa)。理論分析結(jié)果表明一部分碳納米管與碳纖維之間的作用類型為較弱的范德華作用,而另一部分碳納米管與碳纖維之間的作用類型為較強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用。對(duì)于采用化學(xué)氣相沉積法得到的碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在碳納米管與碳纖維之間同樣存在很強(qiáng)的接枝力,并且足可以使碳納米管拉斷。
　　建立了碳

3、納米管從碳纖維表面剝離的連續(xù)介質(zhì)理論模型。在此模型中主要探討了碳納米管與碳纖維之間的作用類型、夾角對(duì)剝離力的影響規(guī)律。對(duì)于化學(xué)接枝法得到的增強(qiáng)體來說,碳納米管與碳纖維之間的結(jié)合主要通過范德華作用以及化學(xué)鍵合作用,結(jié)果表明化學(xué)鍵合作用是引起較大剝離力的主要原因,是范德華作用的20倍。通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)碳納米管曲率半徑與夾角之間呈權(quán)函數(shù)關(guān)系,這個(gè)關(guān)系決定了以下作用規(guī)律:當(dāng)夾角逐漸增加或減小時(shí),碳納米管與碳纖維之間的有效作用長度相應(yīng)地減小或

4、增加。當(dāng)夾角大于某一臨界值時(shí),碳納米管與碳纖維之間的界面呈現(xiàn)正應(yīng)力破壞(正應(yīng)力首先達(dá)到最大值);當(dāng)夾角小于某一臨界值時(shí),碳納米管與碳纖維之間的界面呈現(xiàn)切應(yīng)力破壞(剪應(yīng)力首先達(dá)到最大值)。對(duì)于碳納米管而言,切向破壞的剝離力大于正向破壞的剝離力。
　　建立了碳納米管從基體中傾斜拔出的連續(xù)理論模型。在這個(gè)模型中,建立了碳納米管旋轉(zhuǎn)角與傾斜角之間的關(guān)系。探討了碳納米管的彈性模量、傾斜角度、與基體的界面強(qiáng)度、與基體的摩擦系數(shù)以及基體的壓縮強(qiáng)