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《燕山大学》 2018年
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复合材料细观力学模型及相关材料性能无极1登录

潘静  
【摘要】:碳纳米管增强复合材料在众多领域都展现了不可比拟的优越性能,具有广阔的发展前景。由于碳纳米管具有大的长径比和低的抗弯刚度,使得碳纳米管在基体中很容易出现弯曲及聚集的现象。几十年来,具有分散夹杂物的基体构成的复合材料的力学性能和热性能一直是人们关注的焦点。因此,能否最大限度的发挥复合材料的高比强度,高比刚度等优越的力学性能及热性能,在很大程度上取决于增强纤维的形状、尺寸、性质和分散形态等因素。本文选取碳纳米管、纳米颗粒及纤维作为增强材料,聚合物和金属作为基体材料。以增强纤维的形状、分布状态及自身尺寸等特征为出发点,采用细观力学中的等效夹杂理论,自洽方法及Mori-Tanaka方法等对纳米/纤维复合材料的细观力学性能及热性能进行分析和无极1登录。本文假设弯曲的碳纳米管具有弓形形状的波纹并将其等效为固体短纤维,根据复合材料细观力学中的等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法计算弯曲碳纳米管增强复合材料的体积模量和剪切模量。通过引入波长和振幅等参数,分析不同弯曲程度的碳纳米管对复合材料有效性能的影响。根据碳纳米管的聚集机理,建立碳纳米管团聚的细观力学模型。将聚集的碳纳米管视为球形夹杂,随机分散的碳纳米管及部分初始基体视为假想基体。引入两个团聚参数表征碳纳米管的团聚程度,结合Mori-Tanaka方法和自洽方法,推导碳纳米管增强复合材料有效弹性模量的表达式,预报不同程度的碳纳米管团聚对纳米复合材料弹性性能的影响。此外,根据碳纳米管在基体中的分布形态,将代表性体积单元分为碳纳米管高浓度聚集区域和低浓度聚集区域。基于复合材料中碳纳米管的形态学图像,建立合理的碳纳米管分散模型。分别通过复合材料细观力学中的Mori-Tanaka方法和Halpin–Tsai方程,分析高低浓度的碳纳米团聚对复合材料热膨胀系数和热传导的影响。利用复合材料有效介质之间的关联关系,引入表示复合材料有效刚度的材料常数。基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法,建立单向纤维增强复合材料的细观力学模型,无极1登录不同长径比的纤维增强复合材料热膨胀系数及有效性能的变化规律。简要分析纤维的排列方式、增强方向等对复合材料纵向和横向热膨胀系数及弹性性能的影响。混合复合材料在能源和结构应用上具有巨大的潜力,其中最常见的混合复合材料是在碳纤维增强复合材料中加入玻璃纤维。碳纤维和玻璃纤维混合复合材料具有良好的力学性能,而且大大降低了成本。本文考虑了混合纤维在基体中体积含量变化及纤维排列方式的影响,无极1登录了复合材料有效性能的变化规律。在纳米颗粒和聚合物基体中引入界面相,考虑界面厚度和刚度及纳米颗粒粒径大小的影响。建立含有界面相的纳米颗粒团聚的细观力学模型,将包含纳米颗粒的界面和纳米颗粒看成一个系统,进一步无极1登录纳米颗粒的团聚及界面特性对三相复合材料力学性能的影响。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

【参考文献】
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