文档介绍：碳纳米管复合材料界面应力传递及石墨烯
弹性性能研究

The Research on Interfacial Stress
Transfer of Carbon Nanotube Reinforced
Composites and Elastic Properties of a
Monolayer Graphene Nanosheet

一级学科力学
学科专业固体力学
作者姓名周丽军
指导教师亢一澜教授

天津大学机械工程学院
二零一二年十月
独创性声明

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学位论文作者签名: 签字日期: 年月日

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摘要
碳纳米管和石墨烯由于其优异的物理和力学性能而被认为是复合材料的理
想增强相,它们和复合材料基体的界面力学行为是影响复合材料宏观力学性能
的重要因素,近年来已经成为复合材料研究的重点。本论文针对碳纳米管增强
复合材料的界面应力传递以及石墨烯的弹性性能开展了理论研究。
建立了一个三维轴对称两圆柱壳模型,并在模型中考虑了碳纳米管与基体
的泊松效应、双壁碳纳米管管壁间范德华力以及由于碳纳米管和基体热膨胀系
数失配而引起的残余应力的影响,分别研究了双壁碳纳米管和基体在完全粘接
和脱粘情况下的界面应力分布和传递机制。根据平衡关系及界面上的位移与应
力连续条件,推导出了碳纳米管轴向应力的微分方程,从而得到了碳纳米管轴
向应力、基体的轴向平均应力以及碳纳米管与基体界面上切应力的解析表达式,
并对这些表达式进行了无量纲化处理。通过数值计算,分析了碳纳米管的细长
比、体积分数、基体与碳纳米管的弹性模量比、温度变化、界面摩擦系数以及
范德华力对应力分布情况的影响。在此基础上,进一步利用有限单元法对单壁
碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱粘、应力传递及拔出载荷进行了数值模
拟。建立一个轴对称三圆柱壳模型,引入ABAQUS中的Cohesive单元模拟碳纳米
管和聚合物基体之间的界面层,分析了单壁碳纳米管的细长比、界面强度以及
热残余应力等因素对单壁碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力、碳纳米管的
轴向应力以及拔出载荷的影响。
另外,本文提出了一个基于原子间作用势和连续介质力学的理论模型来预
测单层石墨烯纳米带的弹性性能。采用弹性拉伸与扭转弹簧模型分别模拟碳-碳
键的伸长与键角的变化。利用能量方法得到石墨烯的应变能密度,进而导出单
层石墨烯的本构方程,并得到了五个非零弹性常数的解析表达式。利用从Morse
势函数与AMBER力场中得到的力常数,分别数值计算了单层石墨烯的等效杨氏
模量、泊松比以及剪切弹性模量,证明石墨烯纳米带的弹性模量是各向异性且
手性相关的。

关键词:碳纳米管复合材料,应力传递,范德华力,残余应力,石墨烯,弹
性性能

I
ABSTRACT
Carbon nanotubes and graphene are regarded as the promising reinforcing
phase in the posites, due to their superior physical and mechanical
properties. The interfacial mechanical behavior between Ts/graphene and
matrix has great influence on the mechanical properties posites, and has
attracted much attention of researchers in recent years. In the thesis, theoretica