石墨烯增强纳米复合材料变形机理与力学建模研究

摘要

石墨烯作为一种新兴的纳米增强体，凭借着其优异的力学性能、导热性以及导电性能，在传统的增强体（碳纤维、碳化物纳米颗粒、碳纳米管）中脱颖而出，受到越来越多学者的高度重视。近年来，关于石墨烯复合材料力学性能的研究日益增多，但是研究主要集中在实验方面，理论研究甚少，因此本文在分析纳米复合材料的变形机理的同时，建立了一个能够准确反映石墨烯纳米复合材料变形行为的本构模型。
　　首先，针对石墨烯增强的金属基纳米复合材料（GNP-MMNCs），基于shear-lag理论以及细观力学统计分析，本文对石墨烯片的微结构（单层石墨烯的厚度与表面积）及在基体里面的存在形式（石墨烯片的粘连层数）进行了分析;并从石墨烯片微观结构和细观力学着手，在力学模型中引入其随机分布方位角（θ）和有效长度（le），从宏微观结合的角度建立了纳米复合材料变形本构模型，可以很好的反映其静/动态弹塑性变形行为，同时本文解决了目前本构模型中普遍存在的应变为零时应力出现阶跃的不连续问题。
　　然后基于全局优化的遗传算法，编写了适用于确定复杂本构模型参数的多变量非线性优化程序;通过参数反分析的优化程序确定了典型金属基纳米复合材料GNP/Al2024的本构模型参数。并将建立的新模型分别运用到GNP/Al2024、GNP/Al和GNP/Gu等纳米复合材料上，进行了有关模型实验对比验证和理论预测。从模型实验对比结果可以看出，本文建立的模型与实验数据吻合较好，可以很好的描述纳米复合材料的力学性能，且获得了以下结论:1）在传统金属材料中加入少量的石墨烯片，材料的屈服强度会有很明显的提高（约一倍左右），展现出良好的工业应用潜力;2）在一定的石墨烯片体分比范围内，石墨烯片的增强效果将随着其体分比的增加呈线性增长关系;3）在保持石墨烯片厚度不变的情况下，在一定范围内增加石墨烯片的尺寸可以有效提高石墨烯的增强效果;4）预测结果表明，在很宽的应变率和温度变化范围内，石墨烯增强复合材料随着应变率或者温度基本上是线性变化的。但在高应变率下，温度软化效应将减弱;而在高温下，应变率硬化效应将增强。
　　最后，针对石墨烯增强的高分子基纳米复合材料(GNP-PMNCs)进行了理论建模分析，首先对于准静态条件下，考虑了石墨烯片的方位角与有效长度，同时考虑到了界面对石墨烯增强效果的影响;对于动态加载条件下，通过在基体弹性模量中引入麦克斯韦单元，有效描述了复合材料的应变率效应;其次单独讨论了温度对GNP-PMNCs力学性能的影响;最后对石墨烯增强树脂基纳米复合材料的静态动态模型进行了参数的确定与实验验证。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

第1章 绪论

1．1 先进航空复合材料简介

1．1．1 先进航空复合材料研究现状

1．1．2 先进航空复合材料研究方向

1．2 石墨烯复合材料的国内外研究现状

1．2．1 石墨烯复合材料力学性能实验研究

1．2．2 石墨烯复合材料力学本构建模研究

1．3 本文的主要工作及研究意义

1．3．1 研究目标与研究内容

1．3．2 研究意义

第2章 金属基纳米复合材料塑性变形本构理论建模

2．1 金属基体模型的确定

2．1．1 位错运动的热激活分析

2．1．2 流动应力的热应力分解

2．2 石墨烯片对复合材料的增强应力

2．2．1 基于shear-lag理论的增强应力

2．2．2 考虑随机分布方位角时的增强应力

2．3 GNP-MMNCs的本构模型

2．4 本章小结

第3章 GNP-MMNCs本构模型参数反分析确定

3．1 Matlab优化工具简介

3．2 反分析的优化算法选择

3．2．1 遗传算法

3．2．2 粒子群优化算法

3．2．3 两种算法的分析比较

3．3 多参数非线性优化程序的编制

3．4 GNP／Al2024本构模型参数确定

3．5 本章小结

第4章 GNP-MMNCs本构模型实验验证及理论预测

4．1 理论模型的实验验证

4．1．1 GNP／Al2024模型验证

4．1．2 模型的对比验证

4．2 不同条件下MMNCs热粘塑性行为预测

4．3 本章小结

第5章 高分子基纳米复合材料本构理论建模与实验验证

5．1 GNP-PMNCs静态力学模型建立

5．1．1 各相体积元素的确定

5．1．2 界面相弹性模量的确定

5．1．3 石墨烯增强体有效模量的确定

5．1．4 GNP-PMNCs静态本构模型

5．2 GNP-PMNCs动态力学模型建立

5．2．1 各相动态力学模型

5．3 温度对复合材料力学性能的影响

5．4 GNP-PMNCs静态模型的实验验证

5．4．1 GNP／EP本构模型参数确定

5．4．2 GNP／EP模型验证

5．5 GNP-PMNCs动态模型的实验验证

5．5．2 GNP-PMNCs动态模型实验验证

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 研究展望

参考文献

附录

作者简历