【地坪网资讯】刘夏 杨庆生

摘 要：为了对网络碳纳米管/环氧树脂(reticulate carbon nanotube/epoxy, R-CNT/EP)复合材料的基本材料参数及其影响因素有更深入的了解，对R-CNT/EP 复合材料的应用和设计提供理论参考，根据R-CNT/EP 复合材料的结构特点，假设R-CNT 均匀分布，建立了R-CNT/EP 复合材料的三维有限元模型。利用有限元法分析了R-CNT/聚合物复合材料单胞的细观变形；用二尺度展开法计算了R-CNT/聚合物复合材料在不同应变下的有效刚度系数。分析表明：R-CNT/EP 复合材料为各向异性材料，沿蒸汽流动方向的强度远大于其他方向的强度，且R-CNT 的形状对R-CNT/EP 复合材料的力学性能有显著的影响，各刚度系数以及杨氏模量在即Y 型接头处各角相等时最大。R-CNT 的体分比对R-CNT/EP 复合材料的力学性能有显著的影响，各有效性能均随着CNT 体分比的增大而增大，但是程度不尽相同。
关键词： 网络碳纳米管；复合材料；二尺度展开法；细观力学；有效力学性能

碳纳米管(CNT)具有强度高、弹性模量高、韧性高、传导性好和质量轻等优点，是最理想的材料增强相。碳纳米管比表面积要远比传统纤维的高，且界面层的厚度与碳纳米管的直径相当，所以在碳纳米管复合材料中界面层是应力传递效率和增强效果的关键因素[1]。Scuseria 等提出了三根碳纳米管连接在一起的Y 型接头(Y-joint)的模型，组成导电装置[2]。此后，又有学者建立了各种不同角度的T 型接头(T-joint)[3]和Y-joint 的模型[4]。Terrones[5]等将两根CNT在高温下暴露在电子束中，发现CNT的结构产生了缺陷，并把两根碳纳米管牢固地连接在了一起，并用分子动力学模拟证实Y-joint 具有很好的力学性能。单壁碳纳米管(CNT)和多壁碳纳米管(MWNT)的X-joint、T-joint 或Y-joint 也可用纳米焊接技术得到[6]。
由于各种连接单根碳纳米管的接头的理论模型的提出以及成功制备，许多学者提出将CNT 连接成R-CNT 结构，并研究了它们的力学或电学性能[7-11]。Coluci 等[7-8]将CNT 和Y-joint 连成三维CNT 网络，取名为超级碳纳米管，并用分子动力学和冲击动力学方法进行分析，得到其弹性模量一般在10-100Gpa。Romo-Herrera 等[9-10]将单根CNT看作元件，也将它们组合了成二维或三维的网络，包括超级正方形、超级石磨烯、超级立方体和超级菱形晶格等，并详细分析了它们的导电性能。Wang等[11]用有限元方法研究了SG 的力学性能，他们将CNT 看作一个薄圆筒，并选用壳单元对其进行网格划分。Coluci 等[12]用分子动力学方法分析了R-CNT 的力学性能。研究发现，R-CNT 的韧性大于CNT，它的杨氏模量取决于它的手性，并与半径成反比。Qin 等[13]用分子动力学模拟了R-CNT 的性能和变形机制，发现R-CNT 的断裂应变高达30%，比CNT 高三倍。Li 等[14]用分子结构力学方法研究了R-CNT 的有效力学性能，研究结果表明，R-CNT 的杨氏模量和剪切模量都对CNT 的长径比有很大的依赖性，而不是CNT。Tserpes 等[15]用具有相同力学性能的弹性梁取代了CNT，建立了SG、SS 以及SNT 的连续模型，并用经典的支撑晶格原子计算了原子晶格，用有限元的方法来计算连续模型，并研究了不同晶格尺寸和SCNT 臂的直径下SG和SS 的平面弹性模量。
在碳纳米管/环氧树脂(CNTs/EP)复合材料中，对CNTs 进行羟基化处理，然后分别对羟基化的CNTs 进行表面修饰，可以改善CNTs 的分散性和获得优良的界面特性[16]。虽然修饰后的CNTs 在复合材料中的分散性得到改善，但是无法有效提高其在复合材料中的体分比。为了提高CNTs 在复合材料中的体分比，许多学者开始尝试用CVD 方法制备大面积R-CNT， 并测试了它们的整体性能[17-26]。其中，Song 等[22]用CVD 技术，直接合成了无弯曲的R-CNT 薄膜，其面积可达几十平方分米，杨氏模量可以达到700±270Gpa。通过电子显微镜观察发现，膜内的CNT 通过二维或三维的Y-joint 相互联系在一起，形成不发生弯曲的网状结构。在直接合成的R-CNT 中，材料的强度取决于连接处的强度，且连接处的强度很高，因此，直接合成法得到的R-CNT 能够满足超高强度的要求[27-28]。Ma 等[28]用直接合成法制备了R-CNT，并将高分子聚合物嵌入其中，制成了R-CNT/聚合物复合材料。通过调节基体溶液的浓度，可以将CNT 的体分比控制在30～50%。实验结果表明，纯R-CNT 的变形主要来自网络的变形而不是CNT 的伸长，而对于R-CNT/聚合物复合材料，由于受到聚合物分子链与网络结构的耦合作用的影响，R-CNT 被固定，变形减小。因此R-CNT/聚合物复合材料的模量比纯R-CNT 的模量高且R-CNT/聚合物复合材料的模量与基体分子构型有关。
虽然已经有实验得到了R-CNT/聚合物复合材料，但是对于R-CNT/聚合物复合材料的力学性能，尚未见到理论分析与模型化的研究报道。本文作者根据R-CNT/聚合物复合材料的特点，建立了平面应变模型，用均匀化方法计算了R-CNT/聚合物复合材料有效刚度系数和弹性模量，利用有限元法计算了R-CNT/聚合物复合材料单胞的细观变形，分析了CNT 体分比以及Y-joint 的形状对复合材料力学性能的影响。

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  三维网络碳纳米管复合材料的细观力学.pdf