碳纳米管及其复合材料的力学性能研究

论文题目: 碳纳米管及其复合材料的力学性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 力学

作者: 施冬莉

导师: 黄克智,冯西桥

关键词: 碳纳米管,复合材料,有效弹性模量,断裂,多尺度方法

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 由于其优异的物理和力学性能,碳纳米管在诸多领域具有广阔的应用前景,其中一个重要领域是以碳纳米管作为增强相,制备高强轻质复合材料。本文采用细观力学方法和多尺度力学方法,对碳纳米管的断裂与屈曲、碳纳米管复合材料的有效弹性性质等进行了理论研究。 本文首先定量研究了影响碳纳米管复合材料有效弹性性质的一些重要因素,包括碳纳米管的弯曲效应、团聚效应和界面相的影响,分别建立了相应的细观力学模型—螺旋状弯曲碳纳米管模型、等效夹杂团聚模型和等效界面相模型。发现碳纳米管的弯曲和团聚对复合材料的有效弹性模量具有十分显著的影响,而界面相性质对弹性模量的影响相对较小。 提出了一种将原子势方法和准连续介质力学相结合的方法,用以研究碳纳米管的缺陷形核与断裂问题。在这种方法中,将碳纳米管分成两个区域,在缺陷形核和断裂位置的附近区域采用原子势方法,而在外部区域采用基于修正的Cauchy-Born法则的准连续介质力学方法进行模拟。得到了不同直径和手性角情况下碳纳米管缺陷形核和断裂的临界应变。 在上述方法基础上,建立了一种用于模拟复合材料中碳纳米管的缺陷形核与断裂问题的多尺度方法,其中基体材料用连续介质等效,碳纳米管用如上所述的原子势方法和准连续介质方法模拟,碳纳米管之间的相互作用用细观力学中的Mori-Tanaka方法计算。用这种方法计算了在复合材料中碳纳米管的缺陷形核和断裂的临界应变,并考察了残余应变等因素的影响。 最后研究了不同直径和手性角的碳纳米管的屈曲失稳问题。采用结构力学方法,将碳纳米管等效为空间刚架结构,得到了扶手椅型和锯齿型碳纳米管的临界屈曲载荷。此外,还利用有限元方法,分析了内压对碳纳米管轴向屈曲载荷的影响,并与分子动力学结果进行了比较。

论文目录:

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 碳纳米管及其复合材料力学性能的实验研究

1.3 碳纳米管及其复合材料力学性能的理论研究

1.3.1 分子动力学模拟

1.3.2 连续介质力学方法

1.3.3 多尺度方法

1.4 本文的主要内容

第2章 碳纳米管复合材料的有效弹性性质

2.1 引言

2.2 Mori-Tanaka方法

2.3 碳纳米管的弯曲效应

2.4 碳纳米管的团聚效应

2.5 界面相性质对有效弹性模量的影响

2.6 本章小结

第3章 碳纳米管的缺陷形核和断裂

3.1 引言

3.2 碳原子间相互作用势

3.3 几何模型

3.4 碳纳米管弹性变形

3.5 碳纳米管缺陷形核

3.5.1 计算模型

3.5.2 缺陷影响范围及边界原子二阶邻域的影响

3.5.3 Stone-Wales缺陷形核时的临界应变

3.6 碳纳米管的拉伸断裂

3.7 本章小结

第4章 复合材料中碳纳米管的拉伸变形及断裂

4.1 引言

4.2 多尺度计算模型

4.2.1 计算模型

4.2.2 复合材料中碳纳米管的变形

4.3 复合材料中碳纳米管的拉伸断裂

4.4 残余应变对碳纳米管缺陷形核与断裂的影响

4.5 本章小结

第5章 碳纳米管屈曲性能研究

5.1 引言

5.2 手性角对碳纳米管屈曲载荷的影响

5.2.1 碳纳米管的弹性模量

5.2.2 碳纳米管屈曲和手性角的关系

5.3 轴压与内压共同作用下碳纳米管的屈曲分析

5.3.1 轴压与内压共同作用下屈曲分析的有限元格式

5.3.2 计算模型及结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-08-18

参考文献

• [1].多壁碳纳米管动力学行为的研究[D]. 沙风焕.太原理工大学2005
• [2].碳纳米管稳定性及其复合材料的制备和力学性质[D]. 王根伟.太原理工大学2006
• [3].碳纳米管生物界面的构筑及其电化学性质的研究[D]. 郑卫.哈尔滨工程大学2006
• [4].氮掺杂碳纳米管的第一原理研究[D]. 于陕升.吉林大学2007
• [5].碳纳米管的相关力学问题的研究[D]. 王晋宝.大连理工大学2007
• [6].聚酯、聚酰胺功能化多壁碳纳米管的制备与性能研究[D]. 孟庆杰.天津工业大学2008
• [7].多壁碳纳米管类流体结构、流变及组装特性研究[D]. 雷佑安.武汉理工大学2008
• [8].生物功能化碳纳米管的合成、表征及分析应用[D]. 刘越.南开大学2009
• [9].新型碳材料—碳纳米管及石墨烯的制备、修饰与初步应用研究[D]. 沈剑锋.复旦大学2010
• [10].碳纳米管及其复合材料的力学特性[D]. 陈曦.上海交通大学2013

相关论文

• [1].碳纳米管的功能化及其性能研究[D]. 薛朝华.浙江大学2008
• [2].碳纳米管复合材料制备及其性质研究[D]. 王策.兰州大学2008

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