界面特性对非贯穿连续碳纳米筒体增强复合材料力学性能的影响

首先用分子结构力学方法导出单壁碳纳米管的几何参数,用有限元法(Ansys)分别计算扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)的弹性模量,并分析它们与碳纳米管半径和长度的关系;以有效弹性性能较为稳定的扶手椅型单壁碳纳米管为例,利用能量等效原理证明用连续圆筒代替原子结构碳纳米管的可行性;进而建立包含界面相的三维非贯穿连续碳纳米管圆筒增强复合材料实体模型,用纳微观均质化法计算复合材料整体有效弹性模量,分别讨论强界面结合、弱界面结合情况下界面层的长厚比、体积比、弹性模量等的变化对有效弹性模量的影响,应用含空洞、筒体、界面相、基体四相介质的经典Halpin-Tsai、Mori-Tanaka方法验证纳微观均质化计算方法的有效性。同时计算强弱界面情况沿碳纳米管长度方向碳纳米管及界面层的正应力和剪应力分布规律,阐述界面结合的强弱对复合材料承载能力的影响。

含脱粘界面纤维增强复合材料应力传递的理论分析

取具有脱粘界面的连续纤维增强复合材料的特征体积单元为研究对象,在常规剪滞模型的基础上通过引入摩擦力概念,并考虑横向泊松效应及基体径向力作用的影响,得到了纤维、基体的轴向应力及界面剪应力沿纤维方向的解析表达式。结果表明:本文所用的改进剪滞模型能较准确地反映各相介质沿纤维方向的应力分布特征,特别是较清晰地描述了脱粘界面的应力渐变以及界面粘结与脱粘临界处出现的界面剪应力跳跃现象,取得了与有限元解较为一致的结果。

含界面随机骨料三相增强复合材料的模型构建与有效力学性能预测

利用AUTOCAD绘制不同粒径的骨料随机分布于脆性基体的几何模型,导入ANSYS系统进行网格划分,建立有限元计算的特征体积单元;运用均匀化理论,计算了由随机骨料、基体和黏结层组成的三相复合材料的等效弹性模量,分析了随机颗粒的形状、粒径大小、分布特征、弹性模量以及基体弹性模量等的变化对复合材料力学性能的影响。该方法能够快速方便地建立复杂的几何模型并较真实地反映骨料的实际分布特征,较精确预测复合材料的有效力学性能。

碳纳米管增强复合材料的界面破坏形态及改善措施

以碳纳米管增强树脂基复合材料的二维平面模型为对象,在考虑基体材料非线性的情况下,探讨碳纳米管增强复合材料的界面层特性对复合材料破坏形态的影响。通过对破坏端部的局部处理,提出两种提高复合材料抵抗损伤破坏能力的方法。第一种方法是改变纤维及界面层端部与基体的界面特性即软化界面,用内聚力模型模拟界面,通过内聚力阻扰裂纹的扩展;第二种方法是改变碳纳米管的端部形状即封闭碳纳米管及界面层,通过改变碳纳米管的应力分布状态来提高复合材料的抗破坏能力。

再生混凝土粗骨料增强水泥材料力学性能简析

针对水泥混凝土路面设计规范中对基层材料的要求,对再生骨料混凝土的抗压强度及弯拉强度的试验结果做了基本分析,并分析了用细观力学方法计算再生骨料增强混凝土材料有效力学性能的基本方法。

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。

单壁碳纳米管增强陶瓷基复合材料轴向应力分布影响因素分析

结合剪力滞理论和弹性力学,推导了单壁碳纳米管增强陶瓷基复合材料中碳纳米管及陶瓷基体沿碳纳米管方向的轴向应力分布表达式,同时利用ANSYS构建三维特征体积单元进行有限元运算,将两种计算结果进行比较,验证了有限元分析的可靠性;利用有限元法分析空心碳纳米管的长径比、体积分数和各向异性等因素对基体和碳纳米管轴向应力分布的影响。研究结果表明,碳纳米管的长径比越大,承受轴向应力的能力越强,但随着长径比的增大,轴向承载力的增大趋势逐渐减弱;碳纳米管的各向异性明显削弱碳纳米管在复合材料中的增强效果;碳纳米管增强复合材料设计时,应充分考虑碳纳米管的几何性质和材料特性的影响。