热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应分析
发布时间：2021-07-27 15:01
作为一种较理想的纳米增强复合材料,石墨烯具有优异的力学、热学和电学等物理性质,加上它的独特的二维平面结构,使得它在航空航天、结构和力学工程等领域中有广阔的应用前景。与传统的纤维和碳纳米管材料相比,石墨烯的增强效果在各个方面都具有更大的优势。将多层石墨烯纳米片不均匀分散在基体中,石墨烯重量含量沿厚度方向任意且连续变化的一种新型复合材料,石墨烯增强功能梯度材料已成为近几年国内外研究的热点,为了充分利用石墨烯优异的力学性能来开发先进的复合材料结构,对其力学性能的研究是非常有必要的。本文基于三维弹性理论和推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论,研究了热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应问题。在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场,沿板厚方向考虑四种石墨烯纳米片分布形式,利用最新修正后的Halpin-Tsai微观力学模型和混合律确定石墨烯增强复合材料的有效杨氏模量和泊松比,基于Mian和Spencer功能梯度板理论,开展了如下研究工作:（1）获得了受热机荷载作用下对边简支石墨烯增强功能梯度矩形板的热弹性力学解。通过参数分析讨论了石墨烯重量含量、分布形式和几何尺寸等因素对石墨烯增...
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１石墨烯的二维结构
浙江理工大学硕士学位论文?热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应分析??品形态分可将其分为石墨烯薄膜、粉体以及微片。目前石墨烯的主要制备方法有四??种：机械剥离法、化学气相沉积法（ＣＶＤ）、外延生长法、氧化还原法［３］。??接家族发展历程??．二織?厂驗：５＾?：：：：：：：：：：：?—?．?‘?Ｖ＇：没二、????Ｍａｎ?Ｏａｓ．?＜ｊｒ－?ｗ？ｓｔｉ?ｓｎｃｎｒＷ＾？ｉ?????????１０欲以上ＲＴ泼灞《ｒ的石？？??图１．３碳的同素异形体?图丨．４石墨烯层级结构??功能梯度材料是由两种或多种材料复合而成的一种新型非均匀复合材料（以下??简称为ＦＧＭ），其组成材料的体积含量沿某个方向可以光滑连续变化，进而可以克??服传统层合材料存在的应力集中和界面脱离等问题。其概念最初是为了解决航天飞??机的热防护问题，由日本学者新野正之等于１９８４年首次提出来的，并于１９８７年开??始进行这方面的研宄，开发应用于宇航技术的超耐热材料。经过三十年的发展，ＦＧＭ??的研究相对成熟，已将其推广应用于土木工程、机械、航空航天等实际工程领域［４］。??板是一种工程中常见的结构形式，过去几十年对功能梯度材料板的力学问题研??宄己相对成熟，然而关于石墨烯增强功能梯度材料的研究是近三年才开始的，因此，??对这种新型复合材料的力学性能研宄会非常有理论价值和应用前景。??１．２国内外研宄现状??１．２．１石墨烯及其复合材料的力学性能研宄现状??Ｈ前碳基纳米增强体的研宄主要集中在石墨和碳纳米管等方面＞７］。石墨烯兼具??石墨和碳纳米管的很多优秀性能，如高比表面积、良好的机械性能、热传导性、导??电性等。因而石墨烯被视为新的高
浙江理工大学硕士学位论文?热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应分析??微礙嗅减襄誦??石里？?菝纳米筐??图１．５石墨烯和碳纳米管的微观结构图??由于其高比表面积和强纳米填料－基体粘合，石墨烯可以作为复合材料中优异的??导热纳米填料。稳定二维结构赋予了石墨烯在线弹性，热膨胀以及电导率和热导率??方面明显优于碳纳米管，因此，石墨烯被认为是可替代碳纳米管的理想填充物。研??究发现［９￣１＜）］，与纯聚合物和碳纳米管基复合材料相比，加入少量的石墨烯及其派生物，??能够大幅度提高材料的机械性能和热学性能。??石墨烯纳米片（ＧＰＬｓ）可以看成没有折叠的碳纳米管，相对于碳纳米管来说，它??有良好的热稳定性以及潜在的综合増强性能，它由数层石墨烯组成，同时具有比碳??纳米管及单层石墨烯容易制备和结构稳定等优点，因此被视为开发先进轻质复合结??构的理想增强材料［１１］。??Ｒａｆｉｅｅ等［１２］比较了石墨炼纳米片（ＧＰＬｓ）、单壁碳纳米管（ＳＷＣＮＴｓ）和多壁碳纳米??管（ＭＷＣＮＴｓ）增强环氧纳米复合材料的力学性能。实验结果表明，在较低的纳米填??料质量分数（０．１％）下，ＧＰＬｓ在杨氏模量、拉伸强度和断裂初性方面明显优于ＳＷＣＮＴｓ??和ＭＷＣＮＴｓ。Ｋｉｄｐｏｍｃｈａｉ等［１３］采用连续介质力学模型研究了多层石墨烯纳米片的??振动分析。杨坤好等［１４］采用真空行星式搅拌方法将ＧＰＬｓ添加到环氧树脂中，研宄??了?ＧＰＬｓ含量对改性树脂力学性能的影响。基于Ｅｒｉｎｇｅｎ的非局部弹性方程和新的双??变量板理论，５〇１＾＾［１５］研宄了多层石墨烯纳米片的自由振动、机械屈曲和热屈曲行为；??ｓｏｂｈｙ［１６］利用ｌｅｖｙ
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯纳米片增强纯钛基体复合材料的制备及界面分析[J]. 张在玉,梁益龙. 钢铁钒钛. 2019(04)
[2]石墨烯纳米片/环氧树脂的导热性能研究[J]. 杨坤好,姚盼,肖海刚,王晓蕾,居建国. 热固性树脂. 2019(04)
[3]氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料的巴西圆盘劈裂试验研究[J]. 武星星,刘志芳,王志勇,侯成. 应用力学学报. 2018(06)
[4]含微孔洞损伤的压电功能梯度矩形板热屈曲分析[J]. 程家幸,盛冬发,杨天琪,王晨星. 应用力学学报. 2018(02)
[5]氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构[J]. 彭晖,戈娅萍,杨振天,刘扬,吕毅刚. 复合材料学报. 2018(08)
[6]石墨烯/铜复合材料剪切性能的分子动力学模拟[J]. 华军,宋郴,段志荣,肖攀. 复合材料学报. 2018(03)
[7]含圆柱夹杂功能梯度板条中的热波散射问题[J]. 马晓波,姜欢琦. 红外与毫米波学报. 2016(03)
[8]功能化石墨烯/聚合物基复合材料性能研究进展[J]. 王娴. 精细化工原料及中间体. 2012(05)
[9]功能梯度材料与结构的若干力学问题研究进展[J]. 仲政,吴林志,陈伟球. 力学进展. 2010(05)
[10]功能梯度材料矩形板的三维瞬态热弹性分析[J]. 周凤玺,李世荣. 工程力学. 2009(08)
博士论文
[1]横观各向同性功能梯度板弯曲问题的弹性力学解[D]. 杨博.浙江大学 2011
本文编号：3306013
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１石墨烯的二维结构
浙江理工大学硕士学位论文?热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应分析??品形态分可将其分为石墨烯薄膜、粉体以及微片。目前石墨烯的主要制备方法有四??种：机械剥离法、化学气相沉积法（ＣＶＤ）、外延生长法、氧化还原法［３］。??接家族发展历程??．二織?厂驗：５＾?：：：：：：：：：：：?—?．?‘?Ｖ＇：没二、????Ｍａｎ?Ｏａｓ．?＜ｊｒ－?ｗ？ｓｔｉ?ｓｎｃｎｒＷ＾？ｉ?????????１０欲以上ＲＴ泼灞《ｒ的石？？??图１．３碳的同素异形体?图丨．４石墨烯层级结构??功能梯度材料是由两种或多种材料复合而成的一种新型非均匀复合材料（以下??简称为ＦＧＭ），其组成材料的体积含量沿某个方向可以光滑连续变化，进而可以克??服传统层合材料存在的应力集中和界面脱离等问题。其概念最初是为了解决航天飞??机的热防护问题，由日本学者新野正之等于１９８４年首次提出来的，并于１９８７年开??始进行这方面的研宄，开发应用于宇航技术的超耐热材料。经过三十年的发展，ＦＧＭ??的研究相对成熟，已将其推广应用于土木工程、机械、航空航天等实际工程领域［４］。??板是一种工程中常见的结构形式，过去几十年对功能梯度材料板的力学问题研??宄己相对成熟，然而关于石墨烯增强功能梯度材料的研究是近三年才开始的，因此，??对这种新型复合材料的力学性能研宄会非常有理论价值和应用前景。??１．２国内外研宄现状??１．２．１石墨烯及其复合材料的力学性能研宄现状??Ｈ前碳基纳米增强体的研宄主要集中在石墨和碳纳米管等方面＞７］。石墨烯兼具??石墨和碳纳米管的很多优秀性能，如高比表面积、良好的机械性能、热传导性、导??电性等。因而石墨烯被视为新的高
浙江理工大学硕士学位论文?热机荷载作用下石墨烯增强功能梯度板的弹性响应分析??微礙嗅减襄誦??石里？?菝纳米筐??图１．５石墨烯和碳纳米管的微观结构图??由于其高比表面积和强纳米填料－基体粘合，石墨烯可以作为复合材料中优异的??导热纳米填料。稳定二维结构赋予了石墨烯在线弹性，热膨胀以及电导率和热导率??方面明显优于碳纳米管，因此，石墨烯被认为是可替代碳纳米管的理想填充物。研??究发现［９￣１＜）］，与纯聚合物和碳纳米管基复合材料相比，加入少量的石墨烯及其派生物，??能够大幅度提高材料的机械性能和热学性能。??石墨烯纳米片（ＧＰＬｓ）可以看成没有折叠的碳纳米管，相对于碳纳米管来说，它??有良好的热稳定性以及潜在的综合増强性能，它由数层石墨烯组成，同时具有比碳??纳米管及单层石墨烯容易制备和结构稳定等优点，因此被视为开发先进轻质复合结??构的理想增强材料［１１］。??Ｒａｆｉｅｅ等［１２］比较了石墨炼纳米片（ＧＰＬｓ）、单壁碳纳米管（ＳＷＣＮＴｓ）和多壁碳纳米??管（ＭＷＣＮＴｓ）增强环氧纳米复合材料的力学性能。实验结果表明，在较低的纳米填??料质量分数（０．１％）下，ＧＰＬｓ在杨氏模量、拉伸强度和断裂初性方面明显优于ＳＷＣＮＴｓ??和ＭＷＣＮＴｓ。Ｋｉｄｐｏｍｃｈａｉ等［１３］采用连续介质力学模型研究了多层石墨烯纳米片的??振动分析。杨坤好等［１４］采用真空行星式搅拌方法将ＧＰＬｓ添加到环氧树脂中，研宄??了?ＧＰＬｓ含量对改性树脂力学性能的影响。基于Ｅｒｉｎｇｅｎ的非局部弹性方程和新的双??变量板理论，５〇１＾＾［１５］研宄了多层石墨烯纳米片的自由振动、机械屈曲和热屈曲行为；??ｓｏｂｈｙ［１６］利用ｌｅｖｙ
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯纳米片增强纯钛基体复合材料的制备及界面分析[J]. 张在玉,梁益龙. 钢铁钒钛. 2019(04)
[2]石墨烯纳米片/环氧树脂的导热性能研究[J]. 杨坤好,姚盼,肖海刚,王晓蕾,居建国. 热固性树脂. 2019(04)
[3]氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料的巴西圆盘劈裂试验研究[J]. 武星星,刘志芳,王志勇,侯成. 应用力学学报. 2018(06)
[4]含微孔洞损伤的压电功能梯度矩形板热屈曲分析[J]. 程家幸,盛冬发,杨天琪,王晨星. 应用力学学报. 2018(02)
[5]氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构[J]. 彭晖,戈娅萍,杨振天,刘扬,吕毅刚. 复合材料学报. 2018(08)
[6]石墨烯/铜复合材料剪切性能的分子动力学模拟[J]. 华军,宋郴,段志荣,肖攀. 复合材料学报. 2018(03)
[7]含圆柱夹杂功能梯度板条中的热波散射问题[J]. 马晓波,姜欢琦. 红外与毫米波学报. 2016(03)
[8]功能化石墨烯/聚合物基复合材料性能研究进展[J]. 王娴. 精细化工原料及中间体. 2012(05)
[9]功能梯度材料与结构的若干力学问题研究进展[J]. 仲政,吴林志,陈伟球. 力学进展. 2010(05)
[10]功能梯度材料矩形板的三维瞬态热弹性分析[J]. 周凤玺,李世荣. 工程力学. 2009(08)
博士论文
[1]横观各向同性功能梯度板弯曲问题的弹性力学解[D]. 杨博.浙江大学 2011
本文编号：3306013
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