小比例掺量纳米粒子及氧化锌晶须对PP-R树脂力学改性研究

论文摘要

无机刚性微粒填充材料改性技术的发展进步十分迅速,目前已成为材料改性的有效途径之一。随着传统微米级填料的纳米化,近几年逐步成为研究热点的新兴材料是无机纳米刚性微粒填充热塑性树脂所形成的高分子/纳米复合材料;另一方面,氧化锌晶须（ZnOw）因其独特的立体四针状结构和超高强度、超高模量而倍受瞩目。 本文分别以纳米氧化铝（Al2O3）,轻质活性纳米碳酸钙（CaCO3）,氧化锌晶须（ZnOw）以及纳米氧化铝与氧化锌晶须的混合物作为聚合物PP-R的增强相,其掺入量为小比例,采用熔融共混法制备热塑性树脂基复合材料,并进行了力学改性的对比性研究,发现拉伸强度和弹性模量均有不同程度的提高,尤其是树脂基体中掺入氧化锌品须后,可以使复合材料的拉伸强度最大提高12%（氧化锌晶须,5%Wt）,弹性模量提高22%（氧化锌晶须,10%Wt）。利用扫描电镜进行复合材料的断面形貌分析发现树脂中所添加的纳米粒子和氧化锌晶须能够均匀分布,团聚现象轻微存在。 基于细观力学的原理,确立了有限元方法用到的代表性体积单元模型。使用了单向排列短纤维模型来模拟氧化锌晶须增强效果。借助ANSYS有限元软件实现了对氧化锌晶须增强复合材料弹性模量的预测,并将结果与用基于Halpin-Tsai方程的定向排列短纤维弹性模量计算公式的计算值进行了比较,发现有限元数值模拟的结果与该公式预测结果符合得很好。在使用了基于Halpin-Tsai方程的乱向短纤维弹性模量预测公式后发现,该经典公式倾向于描述复合材料得到增强的“平均效果”,与实测值相比较,虽然得到的结果比较保守,但也表明该公式具有很强的适用性。 最后,借助ANSYS有限元软件对氧化锌晶须增强PP-R树脂基复合材料的应力—应变行为进行了模拟,还绘出了复合材料在外载作用下,各相介质上应力、应变的云图。通过详细了解应力、应变的传递机制,可以更加清晰地理解复合材料中增强相介质和基体介质在整个复合材料体系中的地位和作用,有助于从细观力学的角度去改进复合材料的应用和设计。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无机刚性微粒填充热塑性树脂的研究现状
• 1.2.1 热塑性树脂/无机纳米粒子复合材料
• 1.2.2 热塑性树脂/晶须复合材料
• 1.2.3 对复合材料宏观性能的预测
• 1.3 本文研究的主要内容与方法
• 第2章 试验研究
• 2.1 试验材料
• 2.2 主要仪器和设备
• 2.3 试样制备
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 刚性微粒对复合材料力学性能的影响
• 2.4.2 成因分析
• 2.4.3 小节
• 第3章 复合材料断面形貌分析
• 3.1 主要仪器和设备
• 3.2 对扫描电镜图像的分析
• 3.2.1 增强相是纳米氧化铝
• 3.2.2 增强相是纳米碳酸钙
• 3.2.3 增强相是氧化锌晶须
• 3.2.4 增强相是纳米氧化铝和氧化锌晶须的共混物
• 3.3 小结
• 第4章 运用数值方法模拟氧化锌晶须增强复合材料
• 4.1 有限元基本模型
• 4.1.1 复合材料代表性体积单元的确立
• 4.1.2 ANSYS有限元模型的选取
• 4.1.3 有限元计算材料参数的选取
• 4.2 对复合材料弹性模量的预测
• 4.2.1 复合材料有效弹性模量
• 4.2.2 应变能等效方法
• 4.2.3 预测结果与讨论
• 4.3 对复合材料应力-应变曲线的预测
• 4.3.1 有限元法对复合材料应力、应变模拟的理论基础
• 4.3.2 运用 ANSYS有限元软件对应力、应变的模拟
• 4.4 小节
• 第5章 用有限元方法讨论氧化锌晶须增强复合材料的内部应力及应变
• 5.1 复合材料内部的应力
• 5.1.1 Von Mises应力
• 5.2 复合材料内部的应变
• 5.2.1 Von Mises弹性应变云图
• 5.2.2 Von Mises塑性应变云图
• 5.2.3 Von Mises总应变云图
• 5.2.4 顺拉伸方向路径上的应力、应变云图
• 5.3 小节
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果