微纳米多相复合材料的力学性能及其增强机制
发布时间：2022-01-16 20:01
微纳米多相增强复合材料（MPRC）是在传统纤维增强复合材料（FRP）的基础上引入纳米尺度的填充相而得到的一种新型高级工程材料,由于其良好的力、电、化学性能等,在空天、化工、制造和生物医学等工程和现代科技领域有广阔的应用前景。目前制备MPRC主要有基体改性和纤维表面修饰两种途径。已有的研究表明MPRC相比FRP拥有诸多更加优越的力学性能,纳米相的引入如何影响复合材料力学性质的研究已经成为复合材料力学领域的热点课题。厘清微纳米多相复合材料的增强机理对MPRC物理力学性能的评估以及实现其在工程领域的应用和可调控性具有重要指导意义。本文以二氧化硅纳米颗粒改性基体和碳纳米管修饰纤维表面这两种代表型微纳米多相复合材料为研究对象,对MPRC的力学性能增强效果、原理开展研究。本文首先从实验和理论上研究了MPRC在准静态条件下的横向拉伸、层间剪切、轴向压缩等力学性能与断裂行为,研究了纳米颗粒对基体压缩行为的影响及在复合材料中与纤维的协同增强作用,对比了两种纳米相在MPRC横向拉伸、层间剪切性能方面的的提升幅度与机理,定量性地阐述了二者的作用机制。通过先进的测量手段表征了裂纹扩展前后纤维/基体的界面及其附...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)苹果公园乔布斯剧院FRP天花板吊顶[7]
的界面无法传递足够的负载。良好分散的困难与高质量纳米填料的成本问题构成了物纳米复合材料研究的主要障碍，限制了当前聚合物纳米复合材料作为主要结构组开发和应用。为了克服传统 FRP 和两相聚合物纳米复合材料的不足，在常规纤维增强复合材基础上加入纳米尺度的填充相而得到的微纳米多相增强复合材料（Multi-scale pheinforcedcomposites,MPRC）应运而生。MPRC 尤其是三相复合材料（三相分别指的米相的纤维，纳米级填料和聚合物基体）随后吸引越来越多的学者对其展开研究。MPRC 在文献中也称为微纳米复合材料或纤维增强纳米复合材料。MPRC 的研究追溯到 20 世纪 90 年代中期，当时研究人员试图用纳米粒子改性聚合物基体[10]并用米纤维（CNFs）修饰主纤维表面[11]来联合增强 FRP 的力学性能。然而，该领域的研究活动则在十年后才出现，即自 2000 年代中期以来。迄今为止，大量的研究工明，通过结合传统 FRP 和聚合物纳米复合材料的优势，MPRC 为制造具有优异的力能的先进复合材料提供了有效的方法。
图 1-3 VARTM 装置示意图[18]过改性基体来制造 MPRC 的优点在于其简单性和成本效率。由于该工准工业技术和设施，基于纳米填料改性基体的 MPRC 很快被工业界采这种方法制备的 MPRC 已被体育产品公司（例如 YonexCo.Ltd）用于业网球和羽毛球拍。然而，将纳米填料添加到聚合物中也给树脂灌注过着纳米填料的含量增加，聚合物树脂的粘度可能显着增加。尤其是碳有非常高纵横比的纳米填料，一旦 CNT 含量接近临界值（流变学渗透阈体的粘度显着增加，而临界值通常水平较低，仅为 1％的体积分数左右 VARTM 过程中观察到的过滤效应也可能是导致 CNT 在 MPRC 中不均题。CNT 的附聚物可能在主纤维之间的间隙处被堵塞，并导致非常缓慢浸渍。这些问题使得纳米填料改性基体的注入成为一项具有挑战性的任低纳米填料的含量分数和纵横比可以减轻树脂浸渍对 MPRC 性能的负些权宜之计意味着削弱纳米填料引入的力学增强的可能性。最近，一些
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字图像相关的J积分测量方法[J]. 蒋玮,蒋险峰,黄裕龙. 机械强度. 2018(03)
[2]基于三维数字图像相关法测量复合材料泊松比[J]. 瞿启云,曹爱民,焦平,赵宾,薛克敏,程腾. 材料科学与工程学报. 2018(02)
[3]结合DIC技术的车用复合材料参数反演方法[J]. 杨思满,姜潮,倪冰雨. 机械科学与技术. 2016(12)
[4]考虑纤维初始位错的复合材料轴向压缩性能[J]. 张弥,关志东,黎增山,王晓东,杜善义. 复合材料学报. 2017(08)
[5]数字图像相关法测量聚碳酸酯板应力强度因子[J]. 张蕊,贺玲凤. 工程力学. 2012(12)
[6]二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强[J]. 蒋震宇,张晖,刘生,张忠. 实验力学. 2007(Z1)
[7]数字图像噪声估计的方法及数学模型[J]. 张旭升,周桃庚,沙定国. 光学技术. 2005(05)
[8]碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势[J]. 张晓虎,孟宇,张炜. 纤维复合材料. 2004(01)
[9]基于多结构元的噪声污染灰度图像边缘检测研究[J]. 范立南,韩晓微,王忠石,徐心和. 武汉大学学报(工学版). 2003(03)
[10]刚性微粒填充高聚物的宏观本构关系[J]. 陈建康,黄筑平,刘熠. 高分子学报. 1998(06)
博士论文
[1]纳米颗粒改性环氧树脂的断裂行为及其和纤维的界面性能研究[D]. 汤龙程.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]应用纤维束复合材料试验研究层合板界面性能[D]. 刘奇.华南理工大学 2015
本文编号：3593329
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)苹果公园乔布斯剧院FRP天花板吊顶[7]
的界面无法传递足够的负载。良好分散的困难与高质量纳米填料的成本问题构成了物纳米复合材料研究的主要障碍，限制了当前聚合物纳米复合材料作为主要结构组开发和应用。为了克服传统 FRP 和两相聚合物纳米复合材料的不足，在常规纤维增强复合材基础上加入纳米尺度的填充相而得到的微纳米多相增强复合材料（Multi-scale pheinforcedcomposites,MPRC）应运而生。MPRC 尤其是三相复合材料（三相分别指的米相的纤维，纳米级填料和聚合物基体）随后吸引越来越多的学者对其展开研究。MPRC 在文献中也称为微纳米复合材料或纤维增强纳米复合材料。MPRC 的研究追溯到 20 世纪 90 年代中期，当时研究人员试图用纳米粒子改性聚合物基体[10]并用米纤维（CNFs）修饰主纤维表面[11]来联合增强 FRP 的力学性能。然而，该领域的研究活动则在十年后才出现，即自 2000 年代中期以来。迄今为止，大量的研究工明，通过结合传统 FRP 和聚合物纳米复合材料的优势，MPRC 为制造具有优异的力能的先进复合材料提供了有效的方法。
图 1-3 VARTM 装置示意图[18]过改性基体来制造 MPRC 的优点在于其简单性和成本效率。由于该工准工业技术和设施，基于纳米填料改性基体的 MPRC 很快被工业界采这种方法制备的 MPRC 已被体育产品公司（例如 YonexCo.Ltd）用于业网球和羽毛球拍。然而，将纳米填料添加到聚合物中也给树脂灌注过着纳米填料的含量增加，聚合物树脂的粘度可能显着增加。尤其是碳有非常高纵横比的纳米填料，一旦 CNT 含量接近临界值（流变学渗透阈体的粘度显着增加，而临界值通常水平较低，仅为 1％的体积分数左右 VARTM 过程中观察到的过滤效应也可能是导致 CNT 在 MPRC 中不均题。CNT 的附聚物可能在主纤维之间的间隙处被堵塞，并导致非常缓慢浸渍。这些问题使得纳米填料改性基体的注入成为一项具有挑战性的任低纳米填料的含量分数和纵横比可以减轻树脂浸渍对 MPRC 性能的负些权宜之计意味着削弱纳米填料引入的力学增强的可能性。最近，一些
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字图像相关的J积分测量方法[J]. 蒋玮,蒋险峰,黄裕龙. 机械强度. 2018(03)
[2]基于三维数字图像相关法测量复合材料泊松比[J]. 瞿启云,曹爱民,焦平,赵宾,薛克敏,程腾. 材料科学与工程学报. 2018(02)
[3]结合DIC技术的车用复合材料参数反演方法[J]. 杨思满,姜潮,倪冰雨. 机械科学与技术. 2016(12)
[4]考虑纤维初始位错的复合材料轴向压缩性能[J]. 张弥,关志东,黎增山,王晓东,杜善义. 复合材料学报. 2017(08)
[5]数字图像相关法测量聚碳酸酯板应力强度因子[J]. 张蕊,贺玲凤. 工程力学. 2012(12)
[6]二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强[J]. 蒋震宇,张晖,刘生,张忠. 实验力学. 2007(Z1)
[7]数字图像噪声估计的方法及数学模型[J]. 张旭升,周桃庚,沙定国. 光学技术. 2005(05)
[8]碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势[J]. 张晓虎,孟宇,张炜. 纤维复合材料. 2004(01)
[9]基于多结构元的噪声污染灰度图像边缘检测研究[J]. 范立南,韩晓微,王忠石,徐心和. 武汉大学学报(工学版). 2003(03)
[10]刚性微粒填充高聚物的宏观本构关系[J]. 陈建康,黄筑平,刘熠. 高分子学报. 1998(06)
博士论文
[1]纳米颗粒改性环氧树脂的断裂行为及其和纤维的界面性能研究[D]. 汤龙程.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]应用纤维束复合材料试验研究层合板界面性能[D]. 刘奇.华南理工大学 2015
本文编号：3593329
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