拉应力下碳纳米管增强高分子基复合材料的应力分布

发布时间：2021-12-30 20:14

　　采用基于剪切滞后模型的数值计算和有限元仿真结合的研究方法,通过构建由碳纳米管增强的高分子复合材料的圆柱形代表性体积元模型,分析在一定拉伸应力下不同碳纳米管的层数、长径比、含量以及环氧树脂、尼龙和聚甲基丙烯酸甲酯3种基体材料对碳纳米管内各层应力分布的影响。结果表明:在一定的拉伸应力下,层数和长径比对碳纳米管中各层的应力分布影响很大。碳纳米管的饱和应力值随着层数增加而减小,其值与层数存在一定的相关性,在对碳纳米管本身性能的利用率上,单壁碳纳米管表现最好;长径比的增大能有效提升碳纳米管的有效长度;随着碳纳米管含量的减少,其饱和应力值明显增大,有效长度不断减小;不同的高分子基体材料对碳纳米管的应力分布影响并不明显。 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(02)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

碳纳米管几何模型

为更好地研究CNT/高分子复合材料的应力分布,选取了一个代表性体积元,将其离散的结构转化为连续模型,并采用剪切滞后模型进行了数值计算与分析。在剪切滞后模型中考虑了CNT各层轴向上的应力,而忽略了径向应力的变化,计算中使用的参数如图2所示。CNT的几何结构关于x和y坐标轴对称。为简单起见,RVE的三维(3D)模型被简化为二维(2D)模型,且取模型的一半进行分析。2D模型的所有材料属性设置与3D模型中相同。其中,Rm和R0分别表示基体材料的外半径和内半径,R1,R2,R3,R4和R5分别表示模型的第1,2,3,4,5层的内半径。h表示基体的厚度。L表示RVE模型的长度,也代表CNT的长度。在RVE模型末端的基体层均匀施加拉伸应力σ0。为进一步探究CNT长度对应力分布的影响,研究了长径比从1到1000的RVE模型。该模型中,CNT内两个相邻层之间的间隙也被视为实体,其剪切模量大小由范德华力决定,用G来表示,在此取值为4.2 GPa [18],间隙层的弹性模量由Ein=2G(1+μ)给出。模型各组分的材料属性被视为各向同性。在图2中,基于剪切滞后模型在CNT的第2层提取了尺寸为dx的一个无穷小元素,并在该元素上进行了力平衡分析。对于其他层的计算亦采用相同的手法。基体和CNT的第1,2,3层的轴向应力分别表示为σm,σ1和σ5。图2中的3层模型可以扩展到更多层数。

采用有限元方法进行仿真验证,软件选择为ANSYS。因为模型既在x和y方向是轴对称结构,也是圆周对称,因此在建模中采用二维有限元模型进行仿真,简化计算,模型见图3。在ANSYS模拟中,所有参数,如半径、长度、边界条件、材料属性和弹性模量等与剪切滞后模型中的参数相同。选泊松比μ=0.006[16]。材料属性设定为各向同性。采用Solid183单元,CNT各层的弹性模量取为E=1000 GPa,首选基体为尼龙,其弹性模量取为Enylon=8.3 GPa[20],由范德华力控制的层的剪切模量G取为4.2 GPa[18],弹性模量由Em=2G(1+μ)获得。模型左侧施加轴向约束,基体上施加的应力为一常应力,在本次仿真中取为10 MPa。基体层厚度h初步选为3 nm。


本文编号：3558895