纳米碳管增强复合材料力学特性的数值分析

论文摘要

随着科学技术和现代工业的发展,增强型复合材料逐步在航空航天、建筑、交通、机械、化工等众多工业领域得到了广泛的应用,如共混聚合物,颗粒增强、纤维增强复合材料,夹心层合板材等,而近年作为新型材料代表的纳米碳管展示了杰出的力学特性、热学特性、还有低密度及高纵横比等优点,使其成为复合材料增强相的理想选择。纳米碳管增强复合材料是一种多相体材料,内部结构往往比较复杂,其对外表现出来的宏观力学属性与可能的破坏模式取决于内部的微观结构参数,如果通过大量的材料样本进行试验标定,工作量往往会十分庞大,因而在力学领域模拟复合材料的力学行为具有重要的工程意义。过去已经有不少工作研究了碳纤维、玻璃纤维等纤维增强复合材料的拉伸强度、断裂强度、热膨胀系数和电学性能,其中以基于细观力学模型的理论预测和数值模拟最为常见,但理论模型的预测一般都基于不少理想状态的假设,往往会忽略实际情况,通过数值模拟的方法来研究纤维增强复合材料的力学特性也是一种常用的手段。本文用ABAQUS建立纳米碳管增强复合材料的平面应变模型,分析了材料的宏观力学特性,并研究了在不同碳管添加量、碳管分散性、碳管分布角度以及不同基体的情况下,材料力学特性的变化规律,评价了碳管增强效果的影响因素及其影响程度,最后将此方法得到的材料力学性能数据与细观力学模型的理论预测和实验结果进行了比较,验证了该方法的可靠性。该研究为将来获得各种新型纳米复合材料的力学参数提供了简单有效的方法。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 普通复合材料的特点及发展现状
• 1.3 纳米碳管的特性及应用
• 1.4 纳米碳管增强复合材料的特性及研究现状
• 1.4.1 纳米碳管增强复合材料的特性
• 1.4.2 纳米碳管增强复合材料的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 数值模拟法
• 2.1 基本假设
• 2.2 所用材料的参数
• 2.3 模型图
• 2.4 边界条件
• 2.5 结果以及考察
• 2.5.1 宏观性能考察
• 2.5.2 复合材料内局部的考察
• 3 理论预测法
• 3.1 理论
• 3.2 参数及结果
• 4 实验
• 4.1 实验材料及其参数
• 4.1.1 环氧树脂
• 4.1.2 固化剂
• 4.1.3 VGCF
• 4.2 实验简述
• 4.2.1 试件模具的制作
• 4.2.2 试件的制作
• 4.2.3 实验过程
• 4.3 实验结果
• 5 结论
• 6 数值模拟法在分析球形夹杂复合材料力学性能中的应用
• 6.1 球形夹杂复合材料简介
• 6.2 分析过程
• 6.2.1 所用材料及其参数
• 6.2.2 数值模拟模型建立
• 6.3 结果及考察
• 7 总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录