樹脂基納米復合材料力學行為及增強機理研究.pdf

1、納米復合材料由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設計性被廣泛應用于航空航天、國防、交通和體育等領域。納米顆粒具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的宏觀量子隧道效應，使得納米復合材料在力熱光電等領域的研究方興未艾，比如在力學方面，由于納米顆粒表面效應帶來的增強效應使得納米顆粒增韌復合材料得到了深入而廣泛的研究。但是國內外關于納米復合材料在動態(tài)力學性能方面的研究工作開展較少，對納米顆粒的增強機理認識還

2、不夠全面。因此對不同物理性質的納米顆粒開展相關研究，以期對顆粒增強機理有更深入的認識，這對顆粒增強復合材料的設計與應用具有重要的意義。
　　本文基于分離式Hopkinson桿實驗技術，系統(tǒng)地研究了基體環(huán)氧樹脂以及分別由納米SiO2和納米橡膠顆粒增強的環(huán)氧樹脂基復合材料壓縮力學性能測試。對影響Hopkinson壓桿實驗精度的各因素進行了系統(tǒng)分析，得到了材料的力學行為與應變率、顆粒性能和顆粒含量的相關性；通過有限元分析軟件建立復合材料

3、的unit cell模型，對復合材料中顆粒作用機理進行了分析研究；根據(jù)環(huán)氧樹脂類材料的力學響應，建立了含有8個參數(shù)的本構關系。論文所取得的主要結論為：
　　（1）通過對Hopkinson壓桿加載試樣過程的解析分析表明：對于本文研究的環(huán)氧樹脂類材料，即使施加于試樣中的應力沒有完全達到平衡，只要加載時間超過兩個特征時間，根據(jù)三波法計算出的試樣應力應變曲線也是足夠精確。若以彈性模量的精確度為標準，計算的誤差在5％之內。通過優(yōu)化設計加載波

4、，提出了一組優(yōu)化應力波構型的解析解。對于線彈性材料試樣在小應變加載下，滿足該方程的應力波可以在兩個特征時間之后，實現(xiàn)試樣內應力平衡和恒定應變率加載，相應的有限元模擬和基于脆性砂石材料的試驗也證實了該方程的準確性和可行性。
　?。?）在復合材料動態(tài)彈性模量測試精度研究中，發(fā)現(xiàn)壓痕效應、試樣和桿不完全接觸是材料動態(tài)彈性模量測不準的兩大因素。對于金屬類高彈性模量材料，通過有限元分析得知常規(guī)尺寸的試樣和壓桿端面間嚴重的壓痕效應導致彈性模量

5、測量誤差遠大于5%。當采用轉接頭和長試樣時可以將測試誤差降低，相應有限元分析證實了該方案的可行性。而對于聚合物類低彈性模量材料，可以通過增大試樣直徑以避免較大的壓痕效應，通過采用本文開發(fā)的豎直Hopkinson桿加載技術，改善試樣和桿端面的接觸狀態(tài)，實現(xiàn)了聚合物材料動態(tài)彈性模量的精確測量。
　?。?）通過對環(huán)氧樹脂材料進行一系列壓縮試驗發(fā)現(xiàn)：環(huán)氧樹脂材料力學變形能否完全恢復的臨界載荷大于材料的彈性極限，其數(shù)值非常接近峰值應力。對環(huán)

6、氧樹脂材料在峰值應力處變形機理進行研究，推斷出可能的變形機理：當施加于材料中的載荷達到峰值應力時，材料內部分子鏈三維網(wǎng)狀結構中交聯(lián)點開始斷裂破壞，隨之啟動了應變軟化的變形過程，由這些分子鏈鏈段運動造成的形變是不能自主恢復的。
　?。?）通過對剛性顆粒SiO2增強復合材料的峰值應力和相應的應變率敏感性分析研究發(fā)現(xiàn)：該顆粒增強效應不明顯?；趗nit cell模型數(shù)值模擬結果表明：剛性顆粒增強效果依賴于基體材料的本構特征，即受制于基體

7、環(huán)氧樹脂材料峰值應力后的應變軟化率。進一步的模擬研究發(fā)現(xiàn)：當軟化率低到一定程度時，即使添加剛性顆粒，其增強效果也可以為負，即減弱了復合材料的力學性能。通過對柔性橡膠顆粒增強復合材料的峰值應力和相應的應變率敏感性研究發(fā)現(xiàn)：雖然橡膠顆粒減弱了材料的峰值應力，但是顆粒在大變形下的應變硬化階段的增強效果顯著。Unit cell模型模擬發(fā)現(xiàn)：在大變形下，由于橡膠顆粒的不可壓縮性，顆粒表現(xiàn)為具有剛性顆粒的增強效果。
　　（5）基于環(huán)氧樹脂材料