三维碳纳米管网络的建模和力学性能研究

摘要

研究发现，碳纳米管不仅具有卓越的力学特性、良好的导热和导电性能，同时碳纳米管也可以作为一个基础胞元，构建出结构迥异和性能奇特的多种超结构材料。这些超结构材料继承了碳纳米管的大部分优良特性，然而，当前对于这些材料力学性能的了解却并不够深入，还有很多需要完善的地方，特别是三维CNT网络的理论研究还处于起步阶段。鉴于此，为了进一步研究碳纳米管网络的性能及完善相应的力学模型，本文基于欧拉多面体理论和蒙特卡洛法构建了两种具有代表性的三维碳纳米管网络几何模型：超立方碳纳米管网络模型和三维随机排布碳纳米管网络模型，并分别采用分子结构力学方法和有限单元法得到了两种碳纳米管网络受到外载荷时的应力应变关系，除此之外，还系统研究了模型尺寸以及密度等多因素对其力学性能的调控机理。本文的主要工作如下：　　(1)建立了超立方碳纳米管网络和三维随机排布碳纳米管网络的几何模型。通过补齐缺失原子将三根互相垂直的CNTs连接成具有立方网络节点的4端节，再将4端节组装在一起，得到了超立方碳纳米管网络的几何模型。对于三维随机排布碳纳米管网络可通过先生成碳纳米管，其次确立模型几何边界，然后构建并筛选网络，完成校核后即可获得几何模型。　　(2)在导入超立方碳纳米管网络的可分析模型后，基于分子结构力学分析了其拉伸和屈曲行为。发现超立方碳纳米管网络在单向准静态拉伸位移载荷作用下，拉伸载荷方向的碳纳米管会有较大拉伸变形，而垂直于拉伸载荷方向碳纳米管几乎不发生变形。同时，发现改变构建模型的碳纳米管节纵横比对模型拉伸过程中拉伸力和应变关系影响很小，但是会对模型的横向收缩率和应变关系产生较大影响，而碳纳米管直径对拉伸行为的影响与碳纳米管节刚好相反。在分析模型的屈曲行为时，发现边界条件不同，模型屈曲形态以及边长和临界屈曲应力关系存在较大差异，此外，增大模型中的碳纳米管节纵横比也会减小其临界屈曲应力。　　(3)使用Python处理MATLAB获取三维随机排布的碳纳米管网络几何模型坐标等数据，并在ABAQUS中建立可分析模型，然后使用ABAQUS对不同密度的模型进行了压缩回复分析，得到了其应力应变关系曲线，通过与他人的实验得到的应力应变关系曲线的比较发现：两者应力应变关系曲线在压缩过程中的凹凸性以及压缩回复变形之间空隙随密度变化趋势是一致的，并且两者的应力值也处于同一数量级。此外，本文还研究了连接梁杨氏模量和碳纳米管屈服强度对于压缩回复过程的影响。　　本文的工作能为碳纳米管网络在吸能、降低摩擦和磨损等领域的应用提供理论指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 碳纳米管力学性能

1.2.1 CNTs 力学性质的实验研究现状

1.2.2 CNTs 力学性质的理论及数值研究

1.2.3 CNTs 缺陷对其力学性能影响

1.3 碳纳米管网络

1.3.1 CNTs 之间相互作用和 CNT节

1.3.2 有序 CNT网络

1.3.3 无序 CNT网络

1.4 模拟方法

1.4.1 梁单元介绍

1.4.2 分子结构力学方法介绍

1.4.3 屈曲理论介绍

1.5 论文主要工作

第 2 章几何模型的构建

2.1 SC型 CNT网络 RVE模型的构建

2.1.1 CNTs 的构建

2.1.2 CNTs 的连接

2.1.3 CNT节的校核及模型组装

2.2 3D随机排布 CNT网络 RVE模型的构建

2.2.1 随机算法

2.2.2 周期算法

2.2.3 连接算法

2.2.4 循环标记法

2.3 本章小结

第 3 章 SC 型 CNT 网络的力学行为分析

3.1 纵横比定义

3.2 RVE模型的拉伸

3.2.1 计算前处理

3.2.2 计算结果分析

3.2.3 CNTs 直径尺寸的影响

3.3 RVE模型的屈曲

3.3.1 边界条件

3.3.2 CNTs 手性、CNT节纵横比的影响

3.3.3 CNTs 直径和 RVE模型尺寸的影响

3.4本章小结

第 4 章 3D 随机排布 CNT 网络的力学行为分析

4.1 CNT海绵模型的压缩回复实验

4.2 3D随机排布 CNT网络模型的前处理

4.3 3D随机排布 CNT网络模型的压缩回复分析

4.3.1 CNTs 屈服强度对 3D随机排布 CNT网络压缩回复影响

4.3.2 连接梁对 3D随机排布 CNT网络压缩回复影响

4.3.3 3D随机排布 CNT网络压缩回复过程云图分析

4.3.4 3D随机排布 CNT网络压缩回复的结果分析

4.4本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录 1 3D 随机排布 CNT 网络几何模型的构建

附录 2 3D 随机排布 CNT 网络的分析前处理

攻读硕士学位期间科研成果