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

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

2、強韌化復合材料，可同時達到層內(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)成對復合材料的三維增強。此外，CNTs對層間區(qū)域裂紋面起到獨特的力學橋聯(lián)作用，能同時阻礙納米尺度和微米尺度裂紋的擴展，并通過拔出機制吸收大量能量，可令層間斷裂韌性大幅提高。碳納米管/碳纖維精細耦合協(xié)同強韌化復合材料的力學

3、性質(zhì)和破壞響應的數(shù)值模擬是一個很有價值的研究方向，通過理論分析和模擬計算建立這個多尺度材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關系，具有重要的理論意義和應用價值，但目前這方面的研究工作還較少。
　　 本文主要基于復合材料細觀力學和有限元分析理論，采用多尺度模擬方法，針對碳納米管/碳纖維精細耦合協(xié)同強韌化復合材料體系，開展數(shù)學模型的構(gòu)建和力學性能的計算，解決碳納米管-碳纖維束-單層板-層合板的多層次耦合問題，重點研究復合材料層內(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合材料周期性代表體元，通過均質(zhì)化方法計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行為均用指數(shù)型內(nèi)聚力模型描述。同時，本文探討了CNTs體積分數(shù)和CNT/樹脂界面強度這兩個關鍵因素對層內(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合材料的原基體主導的力學性能，而對纖維主導的復合材料力學性能的影響不明顯;(2)隨著CNTs體積分數(shù)的增大，多尺度復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CNT/樹脂界面強度較小時，多尺度復合材料的橫向彈性模量隨界面強度增加而顯著提高，但當界面強度達到一定值后，其繼續(xù)增加對橫向彈性模量的影響變小，而CNT/樹脂界面強度改變對多尺度復合材料的縱向彈性模量幾

6、乎無影響。
　　 其次，開展多尺度復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制模型以及層合板的雙懸臂梁模型，通過梁理論方法計算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對裂紋面的力學橋聯(lián)作用。同時，本文探討了CNTs體積分數(shù)和CNT/樹脂界面強度這兩個關鍵因素對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、分數(shù)越低，單根CNT拔出機制模型中基體的彈性變形能越高;(2)隨著CNT/樹脂界面強度的提高，CNTs最大拔出力和最終拔出位移均大幅增加;(3)相比傳統(tǒng)復合材料層合板，層間區(qū)域有CNTs增強的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)在I型裂紋擴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的體積分數(shù)越大，相同體積內(nèi)的界面破壞所吸收的能量相應地越高，故CNTs對裂紋面所起到的力學橋聯(lián)作用越明顯;(5)CNT/樹脂界面強度越大，相同面積的界面