碳纳米管稳定性及其复合材料的制备和力学性质

论文摘要

碳纳米管由于其高强度，低密度，大长细比，铜和硅的导电性，金刚石的导热性，DNA的尺寸，碳的化学性质，一经发现就受到了异乎寻常的关注，其独特的性质使得碳纳米管无论作为功能材料还是结构材料都有着极为广泛的潜在应用。本文从碳纳米管在NEMS结构和复合材料的应用出发，研究了碳纳米管在自重以及在纳米开关范德华力作用下的吸合稳定性，制备了基于碳纳米管的微米／纳米杂交强化复合材料，并对复合材料在动静态压缩载荷作用下的力学响应进行了实验研究，取得了以下成果： 1) 借助连续介质力学的柱（梁）理论研究了单壁碳纳米管在自重作用下的稳定性。通过使用量纲分析，找到两个控制碳纳米管长细比lcr／R的无量纲数ρgR／E和t／R。力学分析确定了长细比lcr／R与无量纲数ρgR／E和t／R的关系。通过理论分析发现碳纳米管在自重作用下的临界长细比lcr／R高达106。 2) 使用双悬臂梁模型，利用大变形理论建立了范德华力作用下具有碳纳米管—碳纳米管结构的吸合非线性方程，用Galerkin方法对方程组进行了离散，并用Newton -Rhapson方法进行了数值求解。通过分析碳纳米管轴线挠度的斜率来确定吸合点，对碳纳米管间的距离，内径，吸合长度等进行了详细分析，为基于碳纳米管的NEMS结构设计提供参考和指导。 3) 用流动化学气相沉积法在平均直径4微米的SiC颗粒上制各了多壁

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的结构、性质和应用
• 1.3 碳纳米管力学相关性质的研究现状
• 1.3.1 碳纳米管的弹性模量
• 1.3.2 碳纳米管在拉、压、弯、扭作用下的变形分析
• 1.3.3 表面力作用下的碳纳米管变形分析
• 1.4 本文主要工作
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管自重作用下的稳定性分析
• 2.1 碳纳米管的连续介质模型
• 2.1.1 梁模型
• 2.1.2 壳模型
• 2.1.3 准连续介质模型
• 2.2 碳纳米管在自重作用下的稳定性分析
• 2.2.1 量纲分析
• 2.2.2 弹性柱模型
• 2.3.3 算例和分析
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管在 NEMS中的吸合力学行为分析
• 3.1 碳纳米管在 NEMS中的应用
• 3.2 NEMS结构中作用力分析
• 3.2.1 van der Waals力
• 3.2.2 Casimir力
• 3.3 基于碳纳米管的纳米开关吸合力学分析
• 3.3.1 力学模型
• 3.3.2 Galerkin方法
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 一类微/纳尺度杂交强化复合材料的制备
• 4.1 碳纳米管增强复合材料的制备研究进展
• 4.2 碳纳米管的制备
• 4.2.1 电弧放电法
• 4.2.2 激光蒸发法
• 4.2.3 化学气相沉积法
• 4.3 SiC/CNT结构的制备
• 4.4 杂交增强复合材料的制备
• 4.4.1 模具的准备
• 4.4.2 复合材料的制备
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳纳米管复合材料的实验和理论研究
• 5.1 碳纳米管复合材料的有效弹性模量
• 5.2 碳纳米管复合材料界面强度分析
• 5.3 杂交复合材料的静态压缩实验研究
• 5.4 杂交复合材料的动态压缩实验研究
• 5.4.1 分离式 Hopkinson压杆
• 5.4.2 SHPB实验
• 5.5 实验结果与理论分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 博士学位论文独创性声明