碳納米管-石墨烯混雜復(fù)合材料力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理研究.pdf

1、碳納米管作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量的準(zhǔn)一維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，目前被廣泛用于聚合物基復(fù)合材料中。通過利用納米碳管的載荷傳遞特性，碳管/聚合物復(fù)合材料可以將載荷轉(zhuǎn)移到高強(qiáng)度的增強(qiáng)體上，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的力學(xué)性能的提高。然而，由于碳納米管光滑的碳六環(huán)惰性表面結(jié)構(gòu)，碳納米管與聚合物基體之間的界面作用較弱，形成了弱界面，阻礙了載荷傳遞的的效果與力學(xué)性能的增強(qiáng)，不能完全發(fā)揮出納米碳管的增強(qiáng)效果。為改善這一情況，提高

2、增強(qiáng)體與基體之間的界面結(jié)合作用，許多學(xué)者通過將碳納米管表面改性以及官能化處理等方法來提高二者之間的界面增強(qiáng)效果。此類方法雖然在一定程度上改善了弱界面，提高了界面結(jié)合作用，但沒有從增強(qiáng)體、基體的本身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，因此得到的增強(qiáng)效果提高不明顯。本文從納米碳管增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了碳納米管-石墨烯混雜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體模型，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，研究了混雜結(jié)構(gòu)/聚合物復(fù)合材料中在軸向載荷下的力學(xué)響應(yīng)以及界面力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理，為納米碳管增強(qiáng)復(fù)合材料的

3、研究提供了一種新的研究思路。
　　本文首先圍繞碳納米管-石墨烯混雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)及其在拉伸載荷下的力學(xué)響應(yīng)。分析了混雜結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的機(jī)制，研究了不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于混雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明，混雜結(jié)構(gòu)由于碳納米管的部分打開強(qiáng)度明顯降低，只有納米碳管強(qiáng)度的1/2；主要在碳納米管與石墨烯的交界區(qū)發(fā)生斷裂，且切開比例、螺旋度的增大明顯降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；隨著開口數(shù)量的增大，混雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大并保持在30MPa左右。<

4、br>　　其次，研究了碳納米管-石墨烯混雜結(jié)構(gòu)/聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)增強(qiáng)效果與機(jī)理。通過模擬將混雜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體從聚乙烯基體中拔出的過程，研究了混雜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)效果；計(jì)算結(jié)果表明，混雜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體可以明顯提高復(fù)合材料強(qiáng)度與韌性，其主要通過增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)變形與機(jī)械能的增加提高強(qiáng)度與韌性；是碳納米管增強(qiáng)體的3倍與4倍。同時(shí)，混雜結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大，當(dāng)混雜增強(qiáng)體螺旋度較大、開口數(shù)量較小、開口比例在最優(yōu)區(qū)間、