碳纳米管增强复合材料的界面破坏形态及改善措施
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料一 直受 到广 泛 关 注 ， 多 学 者 用 不 同的方 法 研 很 究碳 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 的 力 学 性 能 。 Ｃ ｅ ｈｎ
两种 改善 碳 纳米管 复合 材料 破坏 形态 的方 法 。
等［ 从 碳 纳米 管复 合材 料 中取 出一个 代 表性体 积 ２ 胞元 ， 有 限元方 法 计 算 复 合 材 料 的 有效 弹性 模 用 量 。罗冬 梅等 ＿ 用 双 尺度 均 值 化 法 和 多 相 Ｍｏｉ ３ ｒ —
并 与 经典 Ｈａ ｉ— ａ、 ｒ Ｔ ｎ ｋ ｌ ｎＴｓｉＭｏｉ ａ ａ ａ方 法进 行 了 ｐ —
面层 特 性 对 复 合 材 料 整 体 力 学 性 能 的 影 响 。
Ｆｓ ｅ 等 用 有 限元 方法 研究 碳纳 米管 弯 曲对 复 ｉ ｒ ｈ
合 材料 性 能 的影 响 。Ｇａ ｏ等Ｌ 将 碳 纳米 管 视为 纤 ５
图 １ 碳 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 平 面 模 型
Ｆｉ ． Ｐｌ ｎａ ｏ ｌｏｆ ｃ ｒ ｏｎ ｎａ ｏ ｔ ｅ ｒ ｉ ｏ ｃ ｄ ｃ ｒ — ｇ１ ａ ｒ ｍ ｄｅ ａ ｂ ｎ －ｕｂ ｅｎｆ ｒ ｅ ｏ ｎ
ｐ ｓｔ ｓ ｏ ｉｅ
计 算 的可行 性 。考 虑基 体 材 料 的非 线 性 ， 复 合 对
材 料施 加 沿长度 方 向 的边 界 位 移 ， 察 碳 纳 米 管 考
增 强复 合材 料 出现 塑性 变 形 或 破 坏 的 部位 ， 一 进
界 面层 ， 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 。 通 关 键 词 ： 面 模 型 ；破 坏 形 态 ； 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 ；改善 措 施 界 碳 中 图分 类号 ： ４ ；Ｔ １ ５ Ｏ３ ３ Ｂ １ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４３ ４ （ ０ １ ０ — ２ ５０ １７ －６ ４ ２ １ ）４０ ６—５
自 １９ ９ １年 Ｉｉ ＿ 发 现 碳 纳 米 管 （ａ ｂ ｎ ｉｍａ１ ｊ ｃｒ ｏ
步 分析界 面层 特性 对 复合材 料 塑性变形 及 破坏 的 影 响 ， 过对 破坏 端部 的局部 处 理 ， 索性 地提 出 通 探
ｎ ｎ —ｕ ｅ ，ｃ ｓ 以来 ， 纳 米 管 增 强 复 合 材 ａ ｏｔｂ ｓ ＮＴ ） 碳
Ｔ ｎｋ ａ ａ ａ法计 算 了界 面 碳 纳 米 增 强 复 合 材 料 中界
１ 二 维 平 面 模 型 模 拟 碳 纳 米 管增 强 复 合 材 料 的力 学 性 能
文献 ［ ］ 立 了包 含 界 面相 的三 维 非 贯穿 连 ８建 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 了复合 材 料 整 体 有 效 弹性 模 量 ，
维 ， 剪滞 模 型研 究 碳 纳 米 管 增 强 复合 材 料 的性 用
比较 ， 发现 几 种 方 法所 得 结 果 相 当 吻合 。考 虑 到
在 三 维实体 模 型 中处 理 界面破 坏 问题 的复杂 性及
质 。Ｏｄ ｇ ｒ ｅ ａｄ等［ 利用 分 子结 构力 学模 型 将碳 纳 ６ 米 管 简化 为等 效 连 续 纤 维 ， 细 观力 学 方 法 建 立 用 碳 纳米 管 增强 聚合 物复 合材 料 的本构 关 系等 。 目 前 ， 多数 研究 针 对 的是 碳 纳米 管增 强 复 合 材 料 大
第３ ４卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ８月
武
汉
科
技
大
学
学
报
Ｖｏ ． ｉ ３４， ． Ｎｏ ４ Ａｕｇ ２ ． ０１１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｗ ｕ ａ ｉｅ ｓｔ ｆＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｙ
整 体 的有 效弹 性模 量及 强度 ， 复合 材 料 局 部 破 对
计 算 时 间的浪 费 ， 文首 先采 用文 献［ ］ 本 ７ 中的均值
化 法基 于二 维平 面模 型计 算碳 纳米 管增 强复 合材
料 的力 学性 能 ， 与 三 维 实体 模 型 计 算 结果 进 行 并
比 较 。 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 的平 面 模ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型 如 图 １ 碳
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 ， 内 用
聚 力模 型模 拟界 面 ， 过 内聚 力 阻扰 裂 纹 的 扩 展 ； 通 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
坏 特征 的研 究却 很 少 。 本 文 利用 文献 １ ］ － 中推 导 的 均质 化 理 论 和 精 ７
确 的周 期性 边 界条 件 ， 算 包含 界 面相 的非 贯 穿 计
二 维连 续 碳 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 的整 体 弹 性 模 量 ， 与文 献 ［ ］ 行 比较 ， 并 ８进 以证 明二 维 平 面 模 型
摘要： 以碳 纳 米 管 增 强树 脂 基 复 合 材 料 的 二 维 平 面模 型 为 对 象 ， 考 虑 基 体 材 料 非 线 性 的情 况 下 ， 讨 碳 纳 米 在 探
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 ， 出 两 种 提 高 复 提
碳 纳米 管增 强 复 合材 料 的界 面 破 坏 形 态 及 改 善措 施
罗 冬 梅 朱 文 亮 ，
（ ．佛 山科 学 技 术 学 院土 木 与 建 筑 工 程 系 ， 东 佛 山 ，２ ０ ０ １ 广 ５８０ ；
２ ．华 南 理 工 大学 土木 工 程 系 ， 东 广 州 ， １ ６ １ 广 ５０４）
两种 改善 碳 纳米管 复合 材料 破坏 形态 的方 法 。
等［ 从 碳 纳米 管复 合材 料 中取 出一个 代 表性体 积 ２ 胞元 ， 有 限元方 法 计 算 复 合 材 料 的 有效 弹性 模 用 量 。罗冬 梅等 ＿ 用 双 尺度 均 值 化 法 和 多 相 Ｍｏｉ ３ ｒ —
并 与 经典 Ｈａ ｉ— ａ、 ｒ Ｔ ｎ ｋ ｌ ｎＴｓｉＭｏｉ ａ ａ ａ方 法进 行 了 ｐ —
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Ｆｓ ｅ 等 用 有 限元 方法 研究 碳纳 米管 弯 曲对 复 ｉ ｒ ｈ
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图 １ 碳 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 平 面 模 型
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计 算 的可行 性 。考 虑基 体 材 料 的非 线 性 ， 复 合 对
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增 强复 合材 料 出现 塑性 变 形 或 破 坏 的 部位 ， 一 进
界 面层 ， 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 。 通 关 键 词 ： 面 模 型 ；破 坏 形 态 ； 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 ；改善 措 施 界 碳 中 图分 类号 ： ４ ；Ｔ １ ５ Ｏ３ ３ Ｂ １ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４３ ４ （ ０ １ ０ — ２ ５０ １７ －６ ４ ２ １ ）４０ ６—５
自 １９ ９ １年 Ｉｉ ＿ 发 现 碳 纳 米 管 （ａ ｂ ｎ ｉｍａ１ ｊ ｃｒ ｏ
步 分析界 面层 特性 对 复合材 料 塑性变形 及 破坏 的 影 响 ， 过对 破坏 端部 的局部 处 理 ， 索性 地提 出 通 探
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１ 二 维 平 面 模 型 模 拟 碳 纳 米 管增 强 复 合 材 料 的力 学 性 能
文献 ［ ］ 立 了包 含 界 面相 的三 维 非 贯穿 连 ８建 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 了复合 材 料 整 体 有 效 弹性 模 量 ，
维 ， 剪滞 模 型研 究 碳 纳 米 管 增 强 复合 材 料 的性 用
比较 ， 发现 几 种 方 法所 得 结 果 相 当 吻合 。考 虑 到
在 三 维实体 模 型 中处 理 界面破 坏 问题 的复杂 性及
质 。Ｏｄ ｇ ｒ ｅ ａｄ等［ 利用 分 子结 构力 学模 型 将碳 纳 ６ 米 管 简化 为等 效 连 续 纤 维 ， 细 观力 学 方 法 建 立 用 碳 纳米 管 增强 聚合 物复 合材 料 的本构 关 系等 。 目 前 ， 多数 研究 针 对 的是 碳 纳米 管增 强 复 合 材 料 大
第３ ４卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ８月
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Ｖｏ ． ｉ ３４， ． Ｎｏ ４ Ａｕｇ ２ ． ０１１
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整 体 的有 效弹 性模 量及 强度 ， 复合 材 料 局 部 破 对
计 算 时 间的浪 费 ， 文首 先采 用文 献［ ］ 本 ７ 中的均值
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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 ， 内 用
聚 力模 型模 拟界 面 ， 过 内聚 力 阻扰 裂 纹 的 扩 展 ； 通 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
坏 特征 的研 究却 很 少 。 本 文 利用 文献 １ ］ － 中推 导 的 均质 化 理 论 和 精 ７
确 的周 期性 边 界条 件 ， 算 包含 界 面相 的非 贯 穿 计
二 维连 续 碳 纳 米 管 增 强 复 合 材 料 的整 体 弹 性 模 量 ， 与文 献 ［ ］ 行 比较 ， 并 ８进 以证 明二 维 平 面 模 型
摘要： 以碳 纳 米 管 增 强树 脂 基 复 合 材 料 的 二 维 平 面模 型 为 对 象 ， 考 虑 基 体 材 料 非 线 性 的情 况 下 ， 讨 碳 纳 米 在 探
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 ， 出 两 种 提 高 复 提
碳 纳米 管增 强 复 合材 料 的界 面 破 坏 形 态 及 改 善措 施
罗 冬 梅 朱 文 亮 ，
（ ．佛 山科 学 技 术 学 院土 木 与 建 筑 工 程 系 ， 东 佛 山 ，２ ０ ０ １ 广 ５８０ ；
２ ．华 南 理 工 大学 土木 工 程 系 ， 东 广 州 ， １ ６ １ 广 ５０４）