氧化石墨烯-碳纳米管交错叠层仿生贝壳材料的力学行为研究
发布时间：2021-01-19 06:36
随着时代的发展和科学技术的进步,轻质材料对于节能减排和降低运营成本有着越来越重要的作用,并成为航空航天、军事和交通等许多先进领域的关键因素之一。最近,研究人员通过模仿马蹄、螳螂虾、鸟类头骨等天然生物材料的内部微观结构,构建出了一些具有高强度和高韧性的轻质仿生复合材料。例如,贝壳结构是一种具有优异的拉伸强度和断裂韧性的轻质材料,它是仅由硬质相（例如矿物文石,95%体积）和少量软质相（例如生物聚合物,5%体积）组成的“砖-泥”叠层结构材料。研究人员通过模仿这种“砖-泥”结构激发了制备高性能仿生复合材料的创意和方法。这种“‘砖-泥’交错叠层仿生贝壳复合材料”,由于其内部特殊的微观结构,让其拥有轻质量的同时也拥有优异的力学性能。为很多高精尖领域的发展提供了材料设计的重要参考,也为多个新型科技领域的创新提供可能性。本文工作的灵感来源于天然贝壳中层状文石微片层/几丁质纳米纤维——天然贝壳珍珠质的蛋白质结构。利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,之后采用蒸发自组装法通过调节氧化石墨烯的片层之间的距离,来获得具有不同微观结构的仿生贝壳结构,并将制备好的材料进行拉伸试验,得到了其在外部载荷作...
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天然贝壳珍珠层及其微观结构和仿生贝壳交错叠层结构复合材料Fig.1-1Thenaturenacreandtheirmicro-structureandbio-inspirednacre-likecomposites
图 1-2 利用蒸发自主装法制备 PVA/GO 贝壳结构过程示意图[45]。Fig. 1-2 Schematic diagram of the process of preparing PVA/GO shell structure byevaporation self-assembly method[45].现在制作并加工石墨烯主要有两种方法，分别是物理法和化学法[46-49]。一般而言，物理法用石墨或膨胀石墨这些价格相对便宜的材料作为原料，采用机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法操作简便，易于获取原料，制备出的成品纯度高、缺陷较少，但是制备工艺难度大。化学法通常采用 Hummers 法[50]，让石墨在强氧化剂的作用下，通过搅拌，超声等方法得到氧化石墨烯，再通过特定的还原剂对氧化石墨烯进行还原，得到还原氧化石墨烯[51]。目前采用较多的是热还原法和 HI 溶液还原法。这种方法成本较低，容易得到大批量的氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，能满足工业大批量生产。但是得到的样品中会存在一些缺陷，可能出现氧化过程中的氧化程度不完全
发现其内部微观结构尺寸对材料整体强度和韧性都有影响，并通的尺寸设计优化材料的宏观性能[69]。Gao 等用运用张剪链模型简化了这种交错叠层结构[67-70]，发现在这种特殊的结构中，作为 砖块μ的硬质相主要应力，而作为灰泥的软质相则主要承担剪应力，起到传递荷载的作用。和 Rabiei 基于 J 积分理论发展了一套理论模型来研究贝壳材料中的韧性制，探讨了裂纹扩展区在扩展的稳态和非稳态过程中的变化以及裂纹桥连韧性的影响[71]。Song 等利用剪滞模型，讨论了基于非线性剪滞分析的参用来探索贝壳纳米复合材料在单轴拉伸下的强度和韧性的同步优化[72]。这种特殊的交错叠层结构中，存在两个重要的特征长度分别与优化强度和关。通过适当的调节材料的参数，来达到仿生贝壳结构强度和韧性的同随着张剪链模型和断裂力学的不断发展，GAO 等结合这些理论讨论了类料的增韧机理[65-73]，如图 1.3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯制备方法研究进展[J]. 陈彬. 当代化工研究. 2018(11)
[2]不同石墨烯-碳纳米管杂化体系对热塑性聚氨酯复合材料力学和自修复性能的增强机制[J]. 高飞龙,李永存,栾云博,薛志成,郭章新,张祺,吴桂英. 高等学校化学学报. 2018(04)
[3]仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用[J]. 赵赫威,郭林. 科学通报. 2017(06)
[4]三维打印贝壳仿生结构的力学性能[J]. 马骁勇,梁海弋,王联凤. 科学通报. 2016(07)
[5]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[6]最优仿生大棕蝙蝠声波信号模型及雷达测距[J]. 崔永锋,刘伟. 科技通报. 2014(04)
[7]氧化石墨烯还原方法的研究进展[J]. 吴婕. 化工进展. 2013(06)
[8]聚氨酯/碳纳米管复合材料在涂料中的研究进展[J]. 王俊,许飞,周斌,许海燕. 涂料技术与文摘. 2013(02)
[9]氧化石墨烯复合材料的研究进展[J]. 邓尧,黄肖容,邬晓龄. 材料导报. 2012(15)
[10]石墨烯的氧化还原法制备及结构表征[J]. 杨勇辉,孙红娟,彭同江. 无机化学学报. 2010(11)
硕士论文
[1]基于石墨烯的纳米复合材料的制备、结构与性能[D]. 韩晓芳.华东理工大学 2014
[2]基于碳纤维复合材料的轻质结构仿生设计及力学性能研究[D]. 江小婷.南京航空航天大学 2014
[3]仿甲虫鞘翅轻质结构的热学及力学性能研究[D]. 乔睿.南京航空航天大学 2014
本文编号：2986516
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天然贝壳珍珠层及其微观结构和仿生贝壳交错叠层结构复合材料Fig.1-1Thenaturenacreandtheirmicro-structureandbio-inspirednacre-likecomposites
图 1-2 利用蒸发自主装法制备 PVA/GO 贝壳结构过程示意图[45]。Fig. 1-2 Schematic diagram of the process of preparing PVA/GO shell structure byevaporation self-assembly method[45].现在制作并加工石墨烯主要有两种方法，分别是物理法和化学法[46-49]。一般而言，物理法用石墨或膨胀石墨这些价格相对便宜的材料作为原料，采用机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法操作简便，易于获取原料，制备出的成品纯度高、缺陷较少，但是制备工艺难度大。化学法通常采用 Hummers 法[50]，让石墨在强氧化剂的作用下，通过搅拌，超声等方法得到氧化石墨烯，再通过特定的还原剂对氧化石墨烯进行还原，得到还原氧化石墨烯[51]。目前采用较多的是热还原法和 HI 溶液还原法。这种方法成本较低，容易得到大批量的氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，能满足工业大批量生产。但是得到的样品中会存在一些缺陷，可能出现氧化过程中的氧化程度不完全
发现其内部微观结构尺寸对材料整体强度和韧性都有影响，并通的尺寸设计优化材料的宏观性能[69]。Gao 等用运用张剪链模型简化了这种交错叠层结构[67-70]，发现在这种特殊的结构中，作为 砖块μ的硬质相主要应力，而作为灰泥的软质相则主要承担剪应力，起到传递荷载的作用。和 Rabiei 基于 J 积分理论发展了一套理论模型来研究贝壳材料中的韧性制，探讨了裂纹扩展区在扩展的稳态和非稳态过程中的变化以及裂纹桥连韧性的影响[71]。Song 等利用剪滞模型，讨论了基于非线性剪滞分析的参用来探索贝壳纳米复合材料在单轴拉伸下的强度和韧性的同步优化[72]。这种特殊的交错叠层结构中，存在两个重要的特征长度分别与优化强度和关。通过适当的调节材料的参数，来达到仿生贝壳结构强度和韧性的同随着张剪链模型和断裂力学的不断发展，GAO 等结合这些理论讨论了类料的增韧机理[65-73]，如图 1.3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯制备方法研究进展[J]. 陈彬. 当代化工研究. 2018(11)
[2]不同石墨烯-碳纳米管杂化体系对热塑性聚氨酯复合材料力学和自修复性能的增强机制[J]. 高飞龙,李永存,栾云博,薛志成,郭章新,张祺,吴桂英. 高等学校化学学报. 2018(04)
[3]仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用[J]. 赵赫威,郭林. 科学通报. 2017(06)
[4]三维打印贝壳仿生结构的力学性能[J]. 马骁勇,梁海弋,王联凤. 科学通报. 2016(07)
[5]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[6]最优仿生大棕蝙蝠声波信号模型及雷达测距[J]. 崔永锋,刘伟. 科技通报. 2014(04)
[7]氧化石墨烯还原方法的研究进展[J]. 吴婕. 化工进展. 2013(06)
[8]聚氨酯/碳纳米管复合材料在涂料中的研究进展[J]. 王俊,许飞,周斌,许海燕. 涂料技术与文摘. 2013(02)
[9]氧化石墨烯复合材料的研究进展[J]. 邓尧,黄肖容,邬晓龄. 材料导报. 2012(15)
[10]石墨烯的氧化还原法制备及结构表征[J]. 杨勇辉,孙红娟,彭同江. 无机化学学报. 2010(11)
硕士论文
[1]基于石墨烯的纳米复合材料的制备、结构与性能[D]. 韩晓芳.华东理工大学 2014
[2]基于碳纤维复合材料的轻质结构仿生设计及力学性能研究[D]. 江小婷.南京航空航天大学 2014
[3]仿甲虫鞘翅轻质结构的热学及力学性能研究[D]. 乔睿.南京航空航天大学 2014
本文编号：2986516
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/2986516.html
