碳纳米管弯曲程度对碳纳米管增强复合材料有效性能的影响

2019-07-28 版权声明 举报文章

摘 要:自从发现碳纳米管被发现之后,碳纳米管增强复合材料的研究一直受到广泛的关注。很多学者运用各种办法探寻碳纳米管的弯曲程度对碳纳米管复合材料的重要影响。文中从分析和建立碳纳米管的模型入手,简述了碳纳米管的计算,分析了碳纳米管增强复合材料的数值。

关键字:碳纳米管弯曲 碳纳米管复合材料 性能

近年来,随着纳米技术的不断发展,越来越多的人开始采用已有的经验和理论进行碳纳米管对于增强碳纳米管复合材料的研究。碳纳米管具有增强纳米复合材料在多个领域已经展现出独特的性能,受到国内外的广泛关注和重视,由此展开了一系列的有关碳纳米管增强复合材料的研究。碳纳米管一般都是以弯曲的形态展现在基体中,此种弯曲形态会对纳米复合材料的有效模量具有巨大的影响。文中采用有效的纤维模型把碳纳米管的弯曲形态加以替代,分析这种情况之下对碳纳米管复合材料的影响。分析得出,碳纳米管在长径比、体积含量和弯曲程度不相同的情况下,其复合材料的性能也会有所改变。

一、分析和建立碳纳米管的模型

现阶段,在碳纳米管增强复合材料上的研究工作已经获得很大的进展。基于碳纳米管所具备的特殊性,致使在碳纳米管增强复合材料结构及功能上显现出独特的性能。根据目前的实际情况若想确保获得制造功能的材料,有以下几方面的问题有待解决。

1.碳纳米管是一个具有离散结构的纳米级别,其基体具有连续性的特征,目前通常运用有限元方法采用连续介质力学为依据,从而在一些层面对预计结果有所影响。在尺度和应用范围不同的情况之下探寻较为正确的办法及理论基础变得更加重要。

2.碳纳米管的管径是纳米级别,其方向强度比较低,团聚的效果较为明显。在进行制备的时候,如果不能把没有弯曲的碳纳米管均匀的分散至各个基体之中,防止发生团聚现象的增强,从而淋漓尽致的发挥出材料的增强作用,提升材料的性能。根据实际的情况可知,碳纳米管一般都是自然弯曲的状态。文中把这样的形态采用如下的参数方程式展开模拟:

y=a sin(2π /λ)x,z=a cos(2π/λ)x (1),在这个式子中,a表示振幅的情况,λ表示波长的数值。如果该纳米管增长到一定长度,振幅的如果变大,波长就不断减小,其弯曲的程度也会增大,碳纳米管的弯曲程度采用ζ(ζ=a/λ)进行表示。等效纤维的构建是否合理必须把碳纳米管弯曲的形态及其对碳纳米管附近基体的作用进行分析和把握。选用弓形模型行

碳纳米管空间态的模拟。具有弯曲的碳纳米管具有增强材料性能的作用。

二、碳纳米管的计算

如果基体和增加界面具有良好的接触关系,等效纤维不但在轴向上对复合材料具备增强的效应,在径向上也有对复合材料增强的作用。文中采用轴向上与波长相等的竖直纤维及半径是a的小圆片把等效纤维加以替换。如果复合材料第r个类型的碳纳米管的数量是N,其体积的分数是Cnt,采用f1代表竖直纤维的体积分数,小圆片的体积分数采用f2来表示。其公式如下:f1=Nπd2λ/4V(2);f2=Nπa2h/4V=N(πa2d2/a)/4V=Nπd2λ/4V (3);f1/f2=λ/a (4);

三、分析碳纳米管增强复合材料的数值

由于碳纳米管体积如果碳纳米管的体积分数一直增加,把文中的计算情况与shao的结果进行分析,如果碳纳米管的体积分数一直增加,复合材料的杨氏模量E也会一直增加。直线碳纳米管及弯曲的碳纳米管从而得出,在具有相同的碳纳米管积分的时候,那些采用直线状的碳纳米作为复合材料的模量比采用弯曲碳纳米管为纳米管复合材料的模量增强相要大。由此得出,采用弯曲使得碳纳米管在很大程度上影响着碳纳米管的增强效果。

如果碳纳米管的弯度为确定的数值,由于增强相体积分数的不断增大,纳米复合材料的杨氏模量也会增大。如果弯度的取值达到最大值,碳纳米管的弯曲最为明显。增强相虽会一直保持对材料的增强性能,但与弯度较小的碳纳米管来看,其增强能力明显下降。复合材料的体积模量会随着碳纳米管的体积分数的变化而改变。如果碳纳米管的体积分数不断增大,复合材料的体积模量也一直增加。与复合材料的杨氏模量不相同,如果碳纳米管在体积分数一样,碳纳米管的弯度数值增,复合材料的取值也会增大。碳纳米管的弯曲情况对增强碳纳米管复合猜的有效模量具有巨大的作用。

结束语:

碳纳米管具有独特的结构及其优越的性能,尤其是其的力学性能超好,因此如何提升碳纳米管复合材料的性能成为研究的重点。文中采用轴向纤维和垂直纤维的圆形小薄片分布在纳米复合材料中纳米管的形态为依据,得出碳纳米管的弯曲程度对于碳纳米管的复合材料起着重要的作用。

参考文献:

[1] 常利武,孙玉周,乐金朝等.碳纳米管增强水泥砂浆梁弯曲性能试验研究[J].混凝土,2011,(10):108-110.

[2] 侯翠岭,李铁虎,赵廷凯等.碳纳米管/四氧化三铁复合材料的电磁波吸收性能[J].新型炭材料,2013,28(3):184-190.

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