数值模拟碳纳米管增强铝基复合材料力学性能的研究

摘要

铝基复合材料具有质量轻、比强度高、抗疲劳性好、韧性好抗冲击性高、耐高温、耐磨损等优点，受到了越来越广泛的关注，是近年来发展较为迅速的新型复合材料，已经成为航空航天及其他尖端技术领域不可缺少的高性能材料。碳纳米管具有韧性好、结构稳定，具有极小的尺度以及良好的力学性能，是理想的金属基复合材料的增强体。因此，将碳纳米管采用适当的方法加入到铝基体中能进一步提高铝基体材料的力学性能。 本文根据连续介质理论，以碳纳米管增强2024铝合金基体为研究对象，采用代表性体积元的方法，模拟计算了碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能。代表性体积元是由中空碳纳米管随机分布在2024铝合金基体中构成的立方体。采用有限元分析软件ABAQUS对代表性体积元模型进行分析，研究了碳纳米管的体积分数、碳纳米管的弯曲角度以及碳纳米管的团聚效应对复合材料的弹性模量、屈服应力、泊松比及剪切模量的影响。 研究结果表明碳纳米管的体积分数对复合材料的力学性能有显著的影响，随着碳纳米管体积分数的增加，复合材料的弹性模量、屈服强度及剪切强度都明显提高。当碳纳米管的体积分数达到5％时，碳纳米管增强铝基复合材料的弹性模量、屈服强度和剪切模量分别达到了154GPa、401MPa和57GPa，与铝基体相比分别提高了120％、29.4％和128％。当随着碳纳米管的加入，复合材料的力学性能参数都明显提高，说明碳纳米管对铝基复合材料起到较好的增强作用。带有弯曲角度的碳纳米管，与同体积分数的直碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能相比，复合材料的力学性能先随着碳纳米管弯曲角度的增大而越来越优异，而后随着碳纳米管弯曲角度的增大，其力学性能有所下降。碳纳米管的团聚效应对增强复合材料的力学性能不利。

目录

声明

摘要

1．1．1碳纳米管的稳定性

1．1．2碳纳米管的弹性模量

1．1．3碳纳米管的拉伸强度

1．2碳纳米管复合材料的研究

1．2．1碳纳米管增强陶瓷基复合材料

1．2．2碳纳米管增强聚合物复合材料

1．2．3碳纳米管增强金属基复合材料

1．3碳纳米管增强铝基复合材料

1．3．1碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能

1．3．2碳纳米管增强铝基复合材料国内外研究现状

1．4研究现状的分析及问题的提出

1．5本文主要研究内容

第2章理论基础

2．1碳纳米管的连续介质模型

2．1．1连续介质理论在碳纳米管力学性能研究中的应用

2．1．2梁模型

2．1．3壳模型

2．1．4碳纳米管连续介质模型选择依据

2．2复合材料代表性体积元

2．3弹性力学基础

2．3．1各向异性材料

2．3．2横观各向同性材料

2．3．3各向同性材料

2．4复合材料中的细观力学

2．4．1复合材料的均质化方法

2．4．2复合材料的弹性系数分析

2．5本章小结

第3章碳纳米管体积分数对铝基复合材料力学性能的影响

3．1复合材料代表性体积元几何模型的建立

3．2基体和增强体材料参数定义

3．3代表性体积元有限元模型的建立

3．4约束和加载方式

3．5复合材料拉伸模拟的过程

3．5．1碳纳米管和铝基体应变变化过程

3．5．2碳纳米管和铝基体应力变化过程

3．6有限元分析结果

3．6．1碳纳米管体积分数对铝基复合材料弹性模量的影响

3．6．2碳纳米管体积分数对铝基复合材料屈服强度的影响

3．6．3碳纳米管体积分数对铝基复合材料泊松比的影响

3．6．4碳纳米管体积分数对铝基复合材料剪切强度的影响

3．7本章小结

第4章碳纳米管的弯曲角度对铝基复合材料力学性能的影响

4．1引言

4．2有限元模型的建立

4．2．1含弯曲碳纳米管复合材料代表性体积元模型的建立

4．2．2基体和增强体材料参数定义

4．2．3约束和加载方式

4．3复合材料拉伸模拟的过程

4．3．1复合材料中不同弯曲角度的碳纳米管应变变化过程

4．3．2复合材料中铝基体的应变变化过程

4．3．3复合材料中不同弯曲角度的碳纳米管应力变化过程

4．3．4复合材料中铝基体的应力变化过程

4．4有限元分析结果

4．4．1不同弯曲角度的碳纳米管对复合材料弹性模量的影响

4．4．2不同弯曲角度的碳纳米管对复合材料屈服强度的影响

4．4．3不同弯曲角度的碳纳米管对复合材料泊松比的影响

4．4．4不同弯曲角度的碳纳米管对复合材料剪切模量的影响

4．5本章小结

第5章碳纳米管的团聚现象对铝基复合材料力学性能的影响

5．1引言

5．2有限元模型的建立

5．2．1代表性体积元的几何模型

5．2．2代表性体积元的有限元模型

5．2．3基体和增强体材料参数定义

5．2．4代表性体积元的约束和加载

5．3复合材料拉伸模拟的过程

5．3．1碳纳米管和铝基体应变变化过程

5．3．2碳纳米管和铝基体应力变化过程

5．4有限元分析结果与讨论

5．4．1碳纳米管的团聚现象对复合材料弹性模量的影响

5．4．2碳纳米管的团聚现象对复合材料屈服强度的影响

5．4．3碳纳米管的团聚现象对复合材料泊松比的影响

5．4．4碳纳米管的团聚现象对复合材料剪切模量的影响

5．5本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录