采用基于剪切滯后模型的數(shù)值計(jì)算和有限元仿真結(jié)合的研究方法,通過構(gòu)建由碳納米管增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料的圓柱形代表性體積元模型,分析在一定拉伸應(yīng)力下不同碳納米管的層數(shù)、長徑比、含量以及環(huán)氧樹脂、尼龍和聚甲基丙烯酸甲酯3種基體材料對碳納米管內(nèi)各層應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明:在一定的拉伸應(yīng)力下,層數(shù)和長徑比對碳納米管中各層的應(yīng)力分布影響很大。碳納米管的飽和應(yīng)力值隨著層數(shù)增加而減小,其值與層數(shù)存在一定的相關(guān)性,在對碳納米管本身性能的利用率上,單壁碳納米管表現(xiàn)最好;長徑比的增大能有效提升碳納米管的有效長度;隨著碳納米管含量的減少,其飽和應(yīng)力值明顯增大,有效長度不斷減小;不同的高分子基體材料對碳納米管的應(yīng)力分布影響并不明顯。 

【文章來源】：材料工程. 2020,48(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

碳納米管幾何模型

為更好地研究CNT/高分子復(fù)合材料的應(yīng)力分布,選取了一個代表性體積元,將其離散的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為連續(xù)模型,并采用剪切滯后模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。在剪切滯后模型中考慮了CNT各層軸向上的應(yīng)力,而忽略了徑向應(yīng)力的變化,計(jì)算中使用的參數(shù)如圖2所示。CNT的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)于x和y坐標(biāo)軸對稱。為簡單起見,RVE的三維(3D)模型被簡化為二維(2D)模型,且取模型的一半進(jìn)行分析。2D模型的所有材料屬性設(shè)置與3D模型中相同。其中,Rm和R0分別表示基體材料的外半徑和內(nèi)半徑,R1,R2,R3,R4和R5分別表示模型的第1,2,3,4,5層的內(nèi)半徑。h表示基體的厚度。L表示RVE模型的長度,也代表CNT的長度。在RVE模型末端的基體層均勻施加拉伸應(yīng)力σ0。為進(jìn)一步探究CNT長度對應(yīng)力分布的影響,研究了長徑比從1到1000的RVE模型。該模型中,CNT內(nèi)兩個相鄰層之間的間隙也被視為實(shí)體,其剪切模量大小由范德華力決定,用G來表示,在此取值為4.2 GPa [18],間隙層的彈性模量由Ein=2G(1+μ)給出。模型各組分的材料屬性被視為各向同性。在圖2中,基于剪切滯后模型在CNT的第2層提取了尺寸為dx的一個無窮小元素,并在該元素上進(jìn)行了力平衡分析。對于其他層的計(jì)算亦采用相同的手法�；w和CNT的第1,2,3層的軸向應(yīng)力分別表示為σm,σ1和σ5。圖2中的3層模型可以擴(kuò)展到更多層數(shù)。

采用有限元方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證,軟件選擇為ANSYS。因?yàn)槟Ｐ图仍趚和y方向是軸對稱結(jié)構(gòu),也是圓周對稱,因此在建模中采用二維有限元模型進(jìn)行仿真,簡化計(jì)算,模型見圖3。在ANSYS模擬中,所有參數(shù),如半徑、長度、邊界條件、材料屬性和彈性模量等與剪切滯后模型中的參數(shù)相同。選泊松比μ=0.006[16]。材料屬性設(shè)定為各向同性。采用Solid183單元,CNT各層的彈性模量取為E=1000 GPa,首選基體為尼龍,其彈性模量取為Enylon=8.3 GPa[20],由范德華力控制的層的剪切模量G取為4.2 GPa[18],彈性模量由Em=2G(1+μ)獲得。模型左側(cè)施加軸向約束,基體上施加的應(yīng)力為一常應(yīng)力,在本次仿真中取為10 MPa�；w層厚度h初步選為3 nm。


本文編號：3558895