基于碳纳米管纤维和石墨烯的碳纳米复合材料的界面性能研究

发布时间：2017-06-14 02:03

  本文关键词：基于碳纳米管纤维和石墨烯的碳纳米复合材料的界面性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纳米管和石墨烯自被发现以来就引起了科技界和工业界的广泛关注。从理论上讲,碳纳米管和石墨烯可以构建太空电梯和微纳米机器人,因此碳纳米管和石墨烯担负着革新材料界的历史使命。另外,碳纳米管和石墨烯的物理特性十分优良,它们是复合材料增强体的最佳选择。当蜂窝状的石墨烯对离子进行“过滤”时,它犹如一张滤纸对离子具有选择性透过作用,它有望成为新型的离子筛。分子动力学方法可以准确地模拟较大规模的原子体系在力和电场下的动态特性,可以输出模拟体系中任意原子的运动轨迹。分子动力学模拟方法使直观认识材料物理特性成为可能。因此,本文选用分子动力学方法,研究碳纳米管纤维/聚乙烯复合材料的界面力学性能、石墨烯/聚乙烯复合材料的界面力学性能以及电场作用下石墨烯和离子的相互作用,具体研究内容如下。(1)探究碳纳米管纤维/聚乙烯复合材料的界面力学行为和断裂机理。研究发现碳纳米管纤维和聚乙烯复合材料体系在拔出过程中的能量是守恒的;碳纳米管纤维的结构参数是影响其复合材料界面粘结强度的关键参数;同时,我们注意到纺丝加捻会削弱周边碳纳米管和中间碳纳米管之间的界面粘结强度,碳纳米管纤维和聚乙烯之间的界面粘结强度也会因加捻而有所降低。(2)研究石墨烯/聚乙烯复合材料的界面断裂过程。研究发现,具有一定晶格结构的聚乙烯基体是各向异性材料,按裂纹的扩展方向分类,界面裂纹可分为法向裂纹,剪切裂纹和扒皮裂纹。这三种模式的裂纹的界面粘结强度的强弱顺序为法向裂纹大于扒皮裂纹大于剪切裂纹,这三种模式的裂纹的界面剪切力都集中在裂纹尖端,界面破坏过程都是可逆的。(3)模拟石墨烯和离子在电场作用下的相互作用。研究发现,在强电场作用下,氢离子和氟离子可以很容易地穿过石墨烯。在离子穿透过程中,石墨烯没有发生断键现象;在弱电场作用下,石墨烯像一道屏障,氢离子和氟离子都不能穿过石墨烯。氢离子和氟离子能否穿过石墨烯还与电场的作用时间有关,电场作用时间越短,氢离子和氟离子能穿过石墨烯时所需要的电压值越高,电场作用时间越长,氢离子和氟离子能穿过石墨烯时所需要的电压值越低。基于以上理论,可以设计石墨烯离子筛。本文的研究意义在于,展现碳纳米管纤维和石墨烯复合材料的界面破坏过程,预测其界面强度;展现石墨烯和离子的相互作用行为,为石墨烯离子筛的开发提供理论支持。
【关键词】：分子动力学方法 碳纳米管纤维/聚乙烯 石墨烯/聚乙烯 界面强度和断裂机理 石墨烯和离子相互作用
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 碳纳米管复合材料的研究现状12-13
• 1.2.2 石墨烯复合材料的研究现状13-14
• 1.2.3 分离技术研究现状14-15
• 1.3 研究内容和技术路线15-17
• 第2章 分子动力学方法17-21
• 2.1 引言17
• 2.2 分子动力学方法17-20
• 2.3 分子动力学方法的计算流程20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 电荷及物理量计算21-27
• 3.1 引言21
• 3.2 原子矩量法21-22
• 3.3 电荷计算流程及结果展示22-24
• 3.4 物理量计算24-25
• 3.5 本章小结25-27
• 第4章 碳纳米管纤维及其聚乙烯复合材料的力学性能27-53
• 4.1 引言27-28
• 4.2 分子动力学方法28-33
• 4.2.1 势函数和参数28-30
• 4.2.2 分子模型和碳纳米管纤维的拔出过程30-33
• 4.3 碳纳米管纤维的力学性能33-40
• 4.3.1 碳纳米管纤维自身的界面粘结强度33-35
• 4.3.2 加捻对碳纳米管束界面粘结强度的影响35-36
• 4.3.3 加捻对碳纳米管纤维拉伸强度的影响36-38
• 4.3.4 缺陷对碳纳米管纤维拉伸强度的影响38
• 4.3.5 手性指数对碳纳米管纤维自身力学性能的影响38-40
• 4.4 碳纳米管纤维复合材料界面行为研究40-51
• 4.4.1 碳纳米管纤维的轴向变形40-42
• 4.4.2 界面剪切力的传递和断裂机理42-43
• 4.4.3 拔出系统的性质43-45
• 4.4.4 界面能、界面剪切力、界面剪切强度和拔出力45-50
• 4.4.5 加捻对碳纳米管纤维复合材料界面粘结强度的影响50-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第5章 石墨烯/聚乙烯复合材料的界面行为研究53-67
• 5.1 引言53-54
• 5.2 研究方法54-57
• 5.2.1 石墨烯/聚乙烯复合材料分析模型54
• 5.2.2 界面裂纹的分子动力学模拟54-57
• 5.3 结果与讨论57-65
• 5.3.1 对比分析系统的动能58-59
• 5.3.2 对比分析系统的势能59-61
• 5.3.3 比较分析界面粘结力61-62
• 5.3.4 比较分析界面剪切强度62-63
• 5.3.5 界面破坏机理63-65
• 5.4 本章小结65-67
• 第6章 石墨烯力电性能研究67-77
• 6.1 引言67
• 6.2 模拟方法67
• 6.3 结果与讨论67-76
• 6.3.1 电场对石墨烯拉伸力学性能的影响67-70
• 6.3.2 石墨烯在正反电场作用下的变形70-71
• 6.3.3 电场强度对石墨烯和离子相互作用的影响71-75
• 6.3.4 电场作用时间对石墨烯和离子相互作用的影响75-76
• 6.4 本章小结76-77
• 结论77-79
• 参考文献79-87
• 攻读硕士学位期间所发表的学术成果87-89
• 致谢89

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