纳米碳管增强复合材料界面特性对力学性能影响的数值分析

假设纳米碳管与树脂基体之间存在一薄层界面,以纳米碳管、界面和基体组成的三层柱体复合材料特征体积单元为研究对象,采用纳-微观均质化理论方法分析界面的模量、体积比、排列方式等的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,所得结果与多相经典平均Mori-Tanaka法进行比较。结果清晰显示了界面模量、体积比的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,有效地区分了含界面纳米碳管在不同排列方式下的力学性能,为纳米碳管增强复合材料力学性能的设计和优化提供计算依据。

多重双尺度法在含界面层纳米碳管增强复合材料力学性能分析中的应用

运用多重双尺度法分析了含界面层纳米碳管增强复合材料的力学性质。首先利用分子结构力学导出纳米框架结构的有效力学性质,取纳米分子结构中的框架结构为特征单元体,用一次均质化理论得到纳米碳管的有效弹性模量,将该纳米碳管等效为连续空心圆筒,与损伤界面组成新的特征单元体再进行第二次均匀化得到新的增强体,计算过程中在界面与基体交界处引入过渡的粘接单元描述可能出现的界面脱粘过程,最后将新增强体和基体组成的特征体积单元进行第三次均匀化得到纳米碳管增强复合材料的有效力学性质,分析了界面特性对宏观有效力学性能的影响。数值结果表明,界面层长厚比及界面层杨氏模量的变化对碳纳米管增强复合材料的弹性模量影响较大,界面相的存在不容忽视。所得结果与经典的Mori-Tanaka法和Halpin-Tsai法进行比较,取得了较好的一致性,验证了多重双尺度法的有效性。

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移及固化性能综述

先进碳基纳米材料在水泥基材料领域的渗透突破了传统水泥基材料的性能使用局限,是未来高性能水泥基复合材料研究的热门领域。然而,虽然目前关于纳米增强水泥基复合材料水化、微观、力学等性能的研究相对较多,但是针对长期耐久性能,特别是对影响钢筋锈蚀的主要因素氯盐侵蚀方面的研究相对较少,且缺少一定的深度与广度。纳米增强水泥基材料抗氯盐侵蚀性能主要体现在两个方面:一是孔隙层面,通过密实孔隙降低整体孔隙率,增加纳微观毛细孔比例,从而降低外界氯离子侵入迁移速率;二是固化层面,通过孔隙固液交界处水泥水化产物氯离子置换固化作用,吸附并降低孔隙溶液中自由氯离子含量。它们的最终目的都是在结构服役寿命内保证钢筋表面侵入的自由氯离子浓度处于锈蚀临界浓度之下,降低锈蚀风险及维护成本。深入明晰纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移和固化性能及机理,对建立有效预测模型,指导并推动高抗蚀纳米增强水泥基复合材料设计、制备及应用具有重要意义。本文总结了近年来纳米增强水泥基复合材料抗氯盐侵蚀性能的研究进展,对比分析了不同维度、不同制备手段、不同化学组成等各类纳米材料分别对抗氯离子迁移性能和氯离子固化性能的影响效果及机制,同时对未来纳米增强高抗蚀水泥基复合材料的发展及应用进行了展望。

东曹推出纳米纤维增强氯丁橡胶复合材料

日前,日本东曹株式会社(Tosoh Corp.)宣布,推出了一种新氯丁二烯橡胶复合材料系列,该系列使用纳米纤维(CNF)作为增强材料。东曹表示,CNF是一种生物质衍生的高性能材料,质量是钢的1/5,但强度是钢的5倍。将CNF与橡胶材料相结合在复合和混炼等过程中带来了技术挑战。

基于CMWCNT/Nafion的增强型离子聚合物金属复合材料的制备及致动性能

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的电活性材料,具有体积小、质量轻、驱动电压低等优点,但驱动力小、稳定工作时间短等问题限制着其柔性致动性能。提出了一种基于银基IPMC的增强型致动器,通过在IPMC的基底聚合物中掺杂羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT),来提高IPMC的整体机械性能和致动性能。其中,掺杂质量分数0.5%CMWCNT的IPMC的最大尖端位移和驱动力分别增加至未优化银基IPMC的1.60倍与2.32倍,该性能的提升归因于CMWCNT良好的导电性和羧基对水合阳离子迁移的加速作用。与未优化的银基IPMC相比,掺杂质量分数0.5%CMWCNT时IPMC驱动速率可提升至3.57倍。研究结果可为IPMC在各领域的应用发展提供参考。

纳米碳/铝复合材料的制备、界面改性与增强机制研究进展

以石墨烯和碳纳米管为代表的纳米碳是发展结构功能一体化铝基复合材料的理想增强材料,但纳米碳分散难、与铝润湿差及不良的界面结合等限制了增强效果。针对此问题,介绍了纳米碳/铝复合材料熔融铸造和粉末冶金制备方法的改进及新发展的制备技术,从表面化学改性、涂层及纳米粒子修饰方面总结了纳米碳表面处理与增强铝基复合材料的研究现状。基于纳米碳/铝的界面结合机制,综述了表面改性前后反应和扩散型界面的形成过程及它们与机械锚结型界面对载荷传递的影响、改善途径;分析了纳米碳/铝复合材料研究中涉及的主要增强机制、影响因素和增强效果,并展望了提升该复合材料结构与功能性能的研究重点。

单壁纳米碳管/纳米铝基复合材料的增强效果

用半连续氢电弧法和活性氢等离子蒸发法分别制备出单壁纳米碳管(SWNTs)和纳米Al粉体,然后用提纯后的SWNTs和纳米Al粉体制备出SWNTs含量(质量分数)分别为0、2.5％、5.0％、7.5％和10.0％的单壁纳米碳管/纳米铝基块体复合材料。SWNTs对高强度纳米Al基体具有显著的增强作用,当SWNTs含量小于5.0％时,材料的硬度随着SWNTs含量的提高线性上升。其中5％SWNTs和纳米Al的复合增强效果最好,其硬度可达2.89GPa,大约是粗晶Al(0.15GPa)的20倍。当SWNTs含量超过5.0％时,增强效果开始缓慢的下降。讨论了单壁纳米碳管增强纳米铝基复合材料的强化机制。

用于复合材料增强体的多壁纳米碳管化学镀镍

纳米碳管由于其特有的高强度、高韧性 ,成为一种富有潜力的复合材料增强体。通过对纳米碳管的化学镀镍 ,可以得到连续、一致的镀层 (2 0 nm～ 30 nm)。 TEM观察表明 :在化学镀镍的前期 ,金属镍主要以纳米颗粒的形式沉积到纳米碳管表面的催化中心 ;随着镀镍时间的延长 ,镀层逐渐加厚 ,并且连接在一起 ,成为连续的镀层。在化学镀过程中 ,纳米碳管曲率的影响不明显 。

铸造法制备纳米碳管增强镁基复合材料

采用正交试验方法研究了纳米碳管加入量、复合温度、搅拌时间等关键工艺参数对用铸造方法制备纳米碳管增强镁基复合材料过程的影响,并探讨了这些工艺参数对复合材料力学性能和显微组织的作用。试验结果表明,纳米碳管(CNTs)加入能明显细化复合材料的晶粒组织,提高了复合材料的抗拉强度和伸长率,且在所探讨的3个工艺参数中,CNTs对材料的力学性能影响最大,其含量约为1 .0 %时力学性能最好;其次是温度取较低( 6 80℃)为好;搅拌时间在3min时,其综合性能较好。另外,给出了材料拉伸强度较好和伸长率较好的3个影响因素的最优组合。

单壁纳米碳管增强纳米铝基复合材料的制备

将用氢电弧法制备的单壁纳米碳管（SWNTs）提纯后与纳米Al粉体混合,在室温下冷压成型,再在260～480℃真空热压处理,制备出相对密度大于90％、SWNTs弥散分布于纳米A1基体中的单壁纳米碳管增强纳米铝复合材料.含量为2.5％（质量分数）的SWNTs对纳米A1基体的增强效果约为55％.SWNTs/纳米A1复合材料的硬度随热压温度的升高而增加,热压温度为380℃时硬度达到峰值2.21GPa,大约是粗晶A1的15倍,比同样温度热压出的纳米A1块体的硬度高36.4％.

纳米碳管增强铜基复合材料的滑动磨损特性研究

以纳米碳管作为增强体制备了铜基复合材料，采用ＭＭ－２２０型环－块摩擦磨损试验机考察了该复合材料的滑动磨损行为，并观察分析了复合材料的组织结构、磨损表面形貌及磨屑组成．结果表明，其磨损过程存在跑合和稳态磨损２个阶段，在稳态磨损阶段主要发生氧化磨损，同时也存在磨粒磨损．工作环境影响复合材料的耐磨性．纳米碳管体积分数在１２％～１５％时，可以较好地发挥其润滑和阻止基体氧化的作用．

粉末冶金法制备纳米碳管增强铜基复合材料的研究

用化学镀在纳米碳管表面镀覆了铜及镍 ,并用粉末冶金法制备纳米碳管增强铜基复合材料 ,研究了制备工艺的有关参数对其性能的影响 .结果表明 :不同的工艺参数对复合材料的性能有不同影响 ,相对其它参数 ,纳米碳管体积分数显著影响复合材料的综合性能 .纳米碳管体积含量在 12 %左右时 。

纳米碳管增强炭/炭复合材料的研究进展

纳米碳管(CNTs)具有独特的结构、优异的力学性能、热稳定性与传导性能,是炭/炭(C/C)复合材料理想的增强体。综述了纳米碳管增强炭/炭(CNTs/C/C)复合材料的制备方法,讨论了该复合材料的微观结构、摩擦学性能和传导性能,并展望了CNTs/C/C复合材料的潜在应用和发展趋势。

球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料的研究进展

综述了目前使用球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料的研究进展,分析了球磨法的优势,如细化晶粒、有利于纳米碳管的分散和使纳米碳管嵌入铝颗粒中等,指出了球磨法需要解决的问题,并展望了球磨法制备纳米碳管/铝基复合材料未来的发展前景。

熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料研究进展

纳米碳增强体具备优异的力学、热学、电学等性能,是金属基复合材料中理想的增强体之一。将纳米碳增强体与铝基体复合,可以获得具有优异力学性能及导热导电性能良好的复合材料,在新一代飞行器零部件材料展现出巨大潜力。目前急需低成本大规模化制备方法的推广应用,熔铸法是其大规模制备的首选。基于此,本文综述了近年来国内外采用熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料的研究进展,通过纳米碳增强体加入铝熔体方式的不同进行分类,详细介绍了搅拌铸造法、压力铸造法、半固态铸造法、压力浸渗法等纳米碳增强铝基复合材料中主要的铸造方法。分析总结了不同铸造方法的特点及铸件的力学性能,最后指出熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料过程中存在的关键科学问题,并且展望了未来的发展方向。

纳米碳管增强纯铝基复合材料的制备及性能

将采用电弧放电法制备的未纯化和纯化的CNTs作为增强体与纯铝粉混合,用粉末冶金法成功制备了1%纳米碳管增强铝基复合材料。力学性能测试表明,未经纯化的纳米碳管对基体增强效果甚小;而纯化的纳米碳管增强效果较为明显,1%纯化纳米碳管增强铝基复合材料力学性能高于10%微米碳化硅强化铝基复合材料,证实添加的纯化纳米碳管对铝基体有良好的强化效果。

激光熔铸多壁纳米碳管增强铝基复合材料

利用激光熔铸技术制备多壁纳米碳管增强铝基复合材料,并使用SEM、XRD对其熔铸成形性以及纳米碳管与基体金属界面结合行为进行观察和分析。结果表明,在单位面积激光能量为800×105 J/m2时,纳米碳管增强铝基复合材料能够熔合而不破坏纳米碳管结构；在该复合材料中适量添加表面张力较低的金属Mg,可降低基体铝的表面张力,进而降低铝一纳米碳管的液固界面能,改善铝合金和纳米碳管的润湿性；当纳米碳管含量为5％(质量分数)时,并添加3％(质量分数)合金化元素Mg,激光熔铸的复合材料熔合性较好,铸块致密,在复合铸块的断口上能观察到增强体纳米碳管。

纳米碳管增强镁基复合材料应力传递有限元分析

结合有限元的分析方法,建立了一个简化模型来模拟纳米碳管增强镁基复合材料在拉伸试验过程中的变形,研究了基体、增强体的应变和应力分布,以及界面对复合材料力学行为的影响,探讨了纳米碳管增强体与基体间的应力传递机制和断裂机理。模拟结果表明,纳米碳管整体上受力比较均匀,在轴向上的界面处出现应力集中;基体与纳米碳管在两端面的接触部位出现明显的应力集中,应力分布呈火焰状,中心大,逐渐向外围减小,在基体的其余部位应力大小则是相对均匀的,这说明复合材料的破坏是从界面处开始的,其破坏机制是界面脱开。

表面功能化多壁碳纳米管改性玻纤增强树脂基复合材料的拉-拉疲劳性能研究

通过拉-拉疲劳试验,研究了表面功能化多壁碳纳米管(MWCNTs)对玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的影响,基于试验数据选择了可线性化的指数函数和幂函数的S-N曲线模型分别对复合材料的疲劳寿命进行量化分析。研究结果表明:氨基化MWCNTs(MWCNTs-NH_(2))改性环氧树脂试件的疲劳性能优于羧基化MWCNTs(MWCNTs-COOH)改性环氧树脂试件的疲劳性能;而MWCNTs-COOH改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能优于MWCNTs-NH_(2)改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能。当MWCNTs-NH_(2)和MWCNTs-COOH的含量均为0.2wt%时,改性后复合材料的疲劳性能达到最佳。幂函数线性拟合结果比指数函数线性拟合结果的相关系数高,拟合精度更准确,且该模型的复合材料疲劳寿命预测结果与试验结果也较为吻合。