【地坪網(wǎng)資訊】劉夏 楊慶生

摘 要：為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)碳納米管/環(huán)氧樹脂(reticulate carbon nanotube/epoxy, R-CNT/EP)復(fù)合材料的基本材料參數(shù)及其影響因素有更深入的了解，對(duì)R-CNT/EP 復(fù)合材料的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供理論參考，根據(jù)R-CNT/EP 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，假設(shè)R-CNT 均勻分布，建立了R-CNT/EP 復(fù)合材料的三維有限元模型。利用有限元法分析了R-CNT/聚合物復(fù)合材料單胞的細(xì)觀變形；用二尺度展開法計(jì)算了R-CNT/聚合物復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的有效剛度系數(shù)。分析表明：R-CNT/EP 復(fù)合材料為各向異性材料，沿蒸汽流動(dòng)方向的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他方向的強(qiáng)度，且R-CNT 的形狀對(duì)R-CNT/EP 復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著的影響，各剛度系數(shù)以及楊氏模量在即Y 型接頭處各角相等時(shí)最大。R-CNT 的體分比對(duì)R-CNT/EP 復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著的影響，各有效性能均隨著CNT 體分比的增大而增大，但是程度不盡相同。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)碳納米管；復(fù)合材料；二尺度展開法；細(xì)觀力學(xué)；有效力學(xué)性能

碳納米管(CNT)具有強(qiáng)度高、彈性模量高、韌性高、傳導(dǎo)性好和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是最理想的材料增強(qiáng)相。碳納米管比表面積要遠(yuǎn)比傳統(tǒng)纖維的高，且界面層的厚度與碳納米管的直徑相當(dāng)，所以在碳納米管復(fù)合材料中界面層是應(yīng)力傳遞效率和增強(qiáng)效果的關(guān)鍵因素[1]。Scuseria 等提出了三根碳納米管連接在一起的Y 型接頭(Y-joint)的模型，組成導(dǎo)電裝置[2]。此后，又有學(xué)者建立了各種不同角度的T 型接頭(T-joint)[3]和Y-joint 的模型[4]。Terrones[5]等將兩根CNT在高溫下暴露在電子束中，發(fā)現(xiàn)CNT的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了缺陷，并把兩根碳納米管牢固地連接在了一起，并用分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)Y-joint 具有很好的力學(xué)性能。單壁碳納米管(CNT)和多壁碳納米管(MWNT)的X-joint、T-joint 或Y-joint 也可用納米焊接技術(shù)得到[6]。
由于各種連接單根碳納米管的接頭的理論模型的提出以及成功制備，許多學(xué)者提出將CNT 連接成R-CNT 結(jié)構(gòu)，并研究了它們的力學(xué)或電學(xué)性能[7-11]。Coluci 等[7-8]將CNT 和Y-joint 連成三維CNT 網(wǎng)絡(luò)，取名為超級(jí)碳納米管，并用分子動(dòng)力學(xué)和沖擊動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析，得到其彈性模量一般在10-100Gpa。Romo-Herrera 等[9-10]將單根CNT看作元件，也將它們組合了成二維或三維的網(wǎng)絡(luò)，包括超級(jí)正方形、超級(jí)石磨烯、超級(jí)立方體和超級(jí)菱形晶格等，并詳細(xì)分析了它們的導(dǎo)電性能。Wang等[11]用有限元方法研究了SG 的力學(xué)性能，他們將CNT 看作一個(gè)薄圓筒，并選用殼單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。Coluci 等[12]用分子動(dòng)力學(xué)方法分析了R-CNT 的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，R-CNT 的韌性大于CNT，它的楊氏模量取決于它的手性，并與半徑成反比。Qin 等[13]用分子動(dòng)力學(xué)模擬了R-CNT 的性能和變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)R-CNT 的斷裂應(yīng)變高達(dá)30%，比CNT 高三倍。Li 等[14]用分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法研究了R-CNT 的有效力學(xué)性能，研究結(jié)果表明，R-CNT 的楊氏模量和剪切模量都對(duì)CNT 的長徑比有很大的依賴性，而不是CNT。Tserpes 等[15]用具有相同力學(xué)性能的彈性梁取代了CNT，建立了SG、SS 以及SNT 的連續(xù)模型，并用經(jīng)典的支撐晶格原子計(jì)算了原子晶格，用有限元的方法來計(jì)算連續(xù)模型，并研究了不同晶格尺寸和SCNT 臂的直徑下SG和SS 的平面彈性模量。
在碳納米管/環(huán)氧樹脂(CNTs/EP)復(fù)合材料中，對(duì)CNTs 進(jìn)行羥基化處理，然后分別對(duì)羥基化的CNTs 進(jìn)行表面修飾，可以改善CNTs 的分散性和獲得優(yōu)良的界面特性[16]。雖然修飾后的CNTs 在復(fù)合材料中的分散性得到改善，但是無法有效提高其在復(fù)合材料中的體分比。為了提高CNTs 在復(fù)合材料中的體分比，許多學(xué)者開始嘗試用CVD 方法制備大面積R-CNT， 并測(cè)試了它們的整體性能[17-26]。其中，Song 等[22]用CVD 技術(shù)，直接合成了無彎曲的R-CNT 薄膜，其面積可達(dá)幾十平方分米，楊氏模量可以達(dá)到700±270Gpa。通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，膜內(nèi)的CNT 通過二維或三維的Y-joint 相互聯(lián)系在一起，形成不發(fā)生彎曲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在直接合成的R-CNT 中，材料的強(qiáng)度取決于連接處的強(qiáng)度，且連接處的強(qiáng)度很高，因此，直接合成法得到的R-CNT 能夠滿足超高強(qiáng)度的要求[27-28]。Ma 等[28]用直接合成法制備了R-CNT，并將高分子聚合物嵌入其中，制成了R-CNT/聚合物復(fù)合材料。通過調(diào)節(jié)基體溶液的濃度，可以將CNT 的體分比控制在30～50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純R-CNT 的變形主要來自網(wǎng)絡(luò)的變形而不是CNT 的伸長，而對(duì)于R-CNT/聚合物復(fù)合材料，由于受到聚合物分子鏈與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的耦合作用的影響，R-CNT 被固定，變形減小。因此R-CNT/聚合物復(fù)合材料的模量比純R-CNT 的模量高且R-CNT/聚合物復(fù)合材料的模量與基體分子構(gòu)型有關(guān)。
雖然已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)得到了R-CNT/聚合物復(fù)合材料，但是對(duì)于R-CNT/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能，尚未見到理論分析與模型化的研究報(bào)道。本文作者根據(jù)R-CNT/聚合物復(fù)合材料的特點(diǎn)，建立了平面應(yīng)變模型，用均勻化方法計(jì)算了R-CNT/聚合物復(fù)合材料有效剛度系數(shù)和彈性模量，利用有限元法計(jì)算了R-CNT/聚合物復(fù)合材料單胞的細(xì)觀變形，分析了CNT 體分比以及Y-joint 的形狀對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

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