基于剪切滞后模型的碳纳米管复合材料界面应力分析

摘要

碳纳米管增强复合材料是当前材料科学研究的焦点,碳纳米管能够起到增强复合材料的一个关键因素是传递荷载的接触界面,深入探讨碳纳米管增强复合材料的界面应力传递规律将对其发展及应用起到促进作用。复合材料的剪切滞后模型大多采用完全粘结(perfect bonding)的代表性体积单元(Representative Volume Element),并且使用的是两端只受轴向正应力作用的代表性体积单元,这些假设与实际情况不完全相符。
　　因此,本论文将建立代表性体积单元外表面上受轴对称均匀剪切应力作用,并且碳纳米管与基体接触界面不完全粘结的剪切滞后模型,这样更与实际情况相接近。利用有限元建立碳纳米管与基体材料组成的复合材料模型,计算了基体表面剪切应力以及表观率对代表性体积单元界面应力的影响。将有限元结果与建立的剪切滞后模型进行对比,发现剪切模型Ⅰ和Ⅱ都能够有效的预测数值结果。本论文主要结论:
　　(1)利用代表性体积单元的剪切滞后模型得到:外表面剪切应力荷载对代表性体积单元的影响比只受到端部轴向正应力作用的影响大很多。所以要尽量防止或者降低代表性体积单元表面受到剪切荷载的作用,否则很容易使代表性体积单元达到极限荷载而遭到破坏。如果在基体中添加适量的碳纳米管材料,就能很好的帮助基体抵抗这种外剪切荷载的影响。
　　(2)复合材料中的基体与碳纳米管接触程度及摩擦系数是影响碳纳米管能否起到增强基体作用的两个非常重要的因素。所以在制作碳纳米管与基体结合的过程中,使其达到接近完全粘结,即使接触面的摩擦系数相对小一些,碳纳米管仍然能够起到很好的增强基体作用。
　　(3)拥有巨大表观率的碳纳米管使得复合材料中的基体能够承载更大的外荷载作用,但是当碳纳米管的表观率增加到一定的值后,其轴向应力就趋于定值。
　　(4)利用有限元软件 ABAQUS建立有限元数值模型,进行数值分析和规律总结,分析发现其结果与建立的碳纳米管增强基体的剪切滞后模型Ⅰ和Ⅱ能够有效的预测数值结果。