航空金属基纳米复合材料塑性变形机制研究

摘要

近年来，轻质金属基纳米复合材料（metal matrix nanocomposites，MMNCs）作为一种新兴的纳米材料，因其具有很高的比强度而越来越受到人们的关注。但是，在其实际制备工艺过程中，纳米增强相很容易粘聚在一起形成团簇现象。因此，对于金属基纳米复合材料，如何有效反映增强相团簇效应的影响作用是其相关研究中一个至关重要的问题。
　　本文主要针对碳纳米管(CNTs)增强的金属基纳米复合材料，在考虑碳纳米管团簇效应和错配角效应对复合材料性能影响的基础上，建立了一个新的微观力学模型来描述其弹塑性变形行为。为了考虑CNTs的团簇效应，引入了团簇后的平均等效长度((l))和平均等效直径（(D)）来代替原始长度和直径，并假设团簇后的等效长度和直径均服从对数正态分布规律;而CNTs错配角（(θ)）效应的考虑则是通过对已有的短纤维增强复合材料模型进行修正得到。与此同时，作为对比研究，本文也给出了纳米陶瓷颗粒增强的金属基纳米复合材料的塑性本构模型，其中为了反映纳米颗粒的团簇效应，通过定义颗粒尺寸的概率密度分布函数和纳米颗粒的团簇度函数推导得出等效颗粒尺寸，对原始颗粒尺寸进行了修正。
　　接着，本文基于Matlab平台与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，通过参数反分析确定了两种典型金属基纳米复合材料SiCnp/A356和CNTs/Al的本构模型参数。然后，将新建的MMNCs模型应用到这两种复合材料中进行实验验证与理论预测。实验数据对比结果表明新模型能很好的描述二者在准静态和动态条件下的热粘塑性变形行为;理论预测结果表明由于增强相团簇效应的影响，MMNCs的应力强化随着增强相体分比的增加存在一个最大值。

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摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 航空金属基复合材料发展概述

1．1．1 航空金属基复合材料产生背景

1．1．2 航空金属基复合材料分类及应用

1．2 金属基纳米复合材料研究现状

1．2．1 纳米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料

1．2．2 碳纳米管增强的金属基复合材料

1．3 本文研究的目的及意义

1．3．1 金属基纳米复合材料增强相团簇问题

1．3．2 本文主要研究内容及意义

2 金属基纳米复合材料塑性本构理论建模

2．1 纳米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料塑性本构模型

2．1．1 金属基体模型的确定

2．1．2 纳米颗粒团簇效应对材料性能的影响

2．1．3 纳米颗粒增强复合材料塑性本构模型

2．2 CNTs增强的金属基纳米复合材料塑性本构模型

2．2．1 CNTs增强相错配角的考虑

2．2．2 CNTs增强相团簇效应的考虑

2．2．3 CNTs增强复合材料的塑性本构模型

2．3 本章小结

3 本构模型参数反分析确定

3．1 反分析的优化算法选择

3．1．1 Matlab优化工具简介

3．1．2 遗传算法简介

3．2 多参数非线性优化程序编制

3．3 本构模型参数确定

3．3．1 SiCnp／A356复合材料模型确定

3．3．2 CNTs／Al复合材料模型确定

3．4 本章小结

4 MMNCs模型验证及其预测结果

4．1 理论模型的实验验证

4．1．1 SiCnp／A356模型验证

4．1．2 CNTs／Al模型验证

4．2 不同条件下MMNCs热粘塑性行为预测

4．2．1 SiCnp／A356模型预测结果与分析

4．2．2 CNTs／Al模型预测结果与分析

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简介