仿胶原纤维碳纳米管束的界面设计与力学性能的研究.pptx

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碳纳米管(CNT)束的弱界面一直以来都是阻碍其成为超高刚度和强度增强相材料的瓶颈。受胶原纤维结构的启发,本论文提出了仿胶原纤维共价交联界面的设计思路,以期开发出超高强度的碳纳米管束。
本文利用分子动力学模拟和理论建模研究了仿胶原纤维碳纳米管束共价交联界面的载荷传递能力和失效行为,具体研究内容包括交联分布方式、交联类型、交联长度、交联密度以及界面长度对界面力学性能的影响。结果显示,少量的共价交联即可显著提高碳纳米管束界面的刚度和强度。
较短的交联通常能够提供较高的界面刚度,而较长的交联通常能够提供较高的界面强度。随着交联密度和界面长度的变化,有三种主要的失效模式,即界面突然失效、界面逐渐失效和碳纳米管断裂。
合适地选择界面长度和交联密度,可以观察到了第四种失效模式,即交联界面和碳纳米管同时发生渐进破坏,从而使得界面的刚度、强度和断裂韧性同时达到了最优的水平。为了系统地刻画均匀分布共价交联界面的力学行为,本文发展了基于弹性力学和断裂力学的理论模型,给出了仿胶原纤维碳纳米管束均匀界面优化设计的定性规律。
对比研究了共价交联均匀分布、两端分布和中间分布三种不同分布形式对于界面的增强效果,发现两端交联分布的优势在于提高结构的界面刚度和强度,而中间交联分布的优势则在于提高界面的延展性。由于碳纳米管优异的刚度、强度和韧性,碳纳米管纤维作为增强相在复合材料领域有巨大的应用潜力,本论文的研究为高性能碳纳米管纤维的界面设计提供了新的思路和有用的指导原则。