聚合物基复合材料多尺度方法的研究

论文摘要

本文旨在研究聚合物基复合材料的力学行为。根据材料内部结构的尺度特征，分别从纳观、细观和宏观不同层次展开了分析研究。假设材料内部结构呈周期性或近似周期性分布，以逐次渐近均匀化方法与有限元方法相结合，建立了细观和纳观单胞分析模型，利用FORTRAN语言编写了多尺度渐近均匀化应用程序，研究了聚合物基复合材料宏观力学性能与微结构间的关系以及细观局部应力分布规律。本文利用多尺度渐近均匀化理论与有限元分析技术，建立了预测聚合物基复合材料有效性能的计算模型，研究了颗粒和聚合物基体的模量比以及颗粒的泊松比、形状、体积份数等对聚合物基复合材料的宏观有效弹性常数的影响规律；然后利用有限元分析技术模拟了材料的单向拉伸实验，对均匀化方法所得到的聚合物基复合材料的宏观有效弹性常数进行了实验验证，得到的结果显示两者是吻合的。本文建立了基于多尺度渐近均匀化理论的宏观应力场与细观单胞局部应力场的分析模型，研究了聚合物基复合材料的细观局部应力与模量比、颗粒形状、泊松比和体积组份的关系，定性分析了聚合物基复合材料的细观破坏形式；研究了模量比和体积份数对宏观应力集中处细观局部应力集中影响；针对局部应力集中问题，利用网格自适应分析技术与有限元法相结合，构建了网格层叠技术，并与多尺度渐近均匀化理论相结合研究夹杂对聚合物基复合材料的宏观应力场与细观单胞局部应力场的影响，得到了一些有用的结果。利用三相球模型与界面位移跳跃假设，建立含非完美界面聚合物基复合材料有效弹性常数的预测模型，推导出其有效体积模量和有效剪切模量的理论预测公式。分析讨论了界面参数对聚合物基复合材料有效弹性常数的影响。本文得到的预测模型具有一般性，在界面参数C=1时，模型简化成完美界面情形；在界面参数C=0时，模型简化成脱粘界面情形。结晶聚合物—无机纳米复合材料内部结构是一个多尺度复杂结构体系。本文利用多尺度逐次渐近均匀化理论的分析计算模型，在实验分析的基础上，从材料的微观结构特点出发，建立了结晶聚合物—无机纳米复合材料的多尺度分析计算模型。将结晶聚合物—无机纳米复合材料内部结构分别用宏观、细观和纳观三个层次来描述。利用建立的多尺度逐次渐近均匀化理论和有限元法，经两次纳观层次均匀化和一次细观层次均匀化，通过数值计算结果讨论了聚合物结晶度、聚合物结晶相弹性模量、无机纳米颗粒弹性模量和无机纳米颗粒体积份数等参数对聚合物—无机纳米复合材料有效弹性模量的影响，并获得了一些有价值的结果。本文工作力图为聚合物基复合材料的改性设计提供理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 颗粒改性聚合物的实验研究
• 1.3 颗粒增强复合材料有效性能预测理论、模型与现状
• 1.4 颗粒改性聚合物复合材料细观应力计算模型
• 1.5 问题的提出及本文的主要研究内容
• 第2章 双尺度渐近均匀化理论及程序实现
• 2.1 引言
• 2.2 线弹性条件下双尺度渐近均匀化方法的数学模型
• 2.3 均匀化方法周期性边界条件
• 2.4 线弹性条件下均匀化理论的有限元法求解
• 2.5 均匀化理论的程序实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 聚合物基复合材料有效弹性常数的预测
• 3.1 引言
• 3.2 细观单胞的计算模型
• 3.3 有效弹性常数的预测与研究
• 3.4 实验研究
• 3.5 预测结果的分析与结论
• 3.6 本章小结
• 第4章 聚合物基复合材料的细宏观应力场分析与研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于均匀化理论的细宏观应力场
• 4.3 圆孔应力集中处的细观单胞局部应力分析
• 4.4 裂纹尖端的细观单胞局部应力分析
• 4.5 夹杂对细观单胞局部应力场的影响
• 4.6 结果讨论
• 4.7 本章小结
• 第5章 含非完美界面聚合物基复合材料有效模量的研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于三相球模型的非完美界面复合材料有效模量
• 5.3 含非完美界面复合材料有效模量计算与比较
• 5.4 本章小结
• 第6章 结晶聚合物—无机纳米复合材料多层次结构及力学性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 尼龙6/纳米二氧化硅复合材料实验观察
• 6.3 多尺度逐次渐近均匀化理论
• 6.4 结晶聚合物—无机纳米复合材料多层次结构模型
• 6.5 结晶聚合物—无机纳米复合材料有效弹性模量的预测
• 6.6 预测结果的讨论与分析
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:发表学术论文清单