碳纳米管增强复合材料细观力学性能分析

碳纳米管增强复合材料细观力学性能分析

解娜娜1，宋建龙2

（1保定乐凯新材料股份有限公司，保定071054；2乐凯胶片股份有限公司，保定071054）

摘要纳米管由于具有优异的性能，被应用于很多领域，其中一个重要应用是制备碳纳米管增强复合材料。本文阐述了碳纳米管增强复合材料细观力学性能分析的相关研究，最后指出了碳纳米管增强复合材料存在的问题，并预测了其应用前景。

关键词碳纳米管，复合材料，细观力学

MicromechanicsMechanicalPerformanceAnalysisofCarbonNanotubeReinforcedComposites

XIENa-na1,SONGJian-long2

(1.BaodingLuckyInnovativeMaterialsCo.,Ltd.,Baoding071054,China;2.LuckyFilmCo.,Ltd.,Baoding071054,China)

Abstract:Carbonnanotubes(CNTs)havebroadapplicationinmanyfieldsduetotheirexcellentproperties.Oneoftheimportantfieldsistopreparecarbonnanotubereinforcedcomposites.Thispapersummarizestheprogressonthemicromechanicsmechanicalperformanceanalysisofcarbonnanotubereinforcedcomposites.Finally,theproblemsofcarbonnanotubereinforcedcompositesarepointedoutandthefutureofthecompositesisforecastedaswell．

Keywords:carbonnanotubes,composites,micromechanics

1引言

近年来，碳纳米管增强复合材料以其优异的力学性能引起越来越多科学家的关注。[1]细观力学方法是利用材料的组分相性能与细微观结构特点来导出其宏观性能，目前已广泛应用于力学性能分析。本文主要论述了碳纳米管增强复合材料的细观力学性能分析。

2碳纳米管及细观力学方法简介

2.1碳纳米管及其复合材料

碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，[2]强度高，韧性大，密度低，且耐强酸强碱，具有高的热稳定性，是一种绝好的纤维材料。碳纳米管增强复合材料以其优异的性能，在航空航天、汽车等领域有着广泛的应用。有关碳纳米管的结构稳定性、力学性能及其复合材料的研究己成为碳纳米管应用研究的热点之一。

2.2细观力学方法

细观力学是通过研究材料细观结构得到其宏观性能的一门新兴学科。[3]

3碳纳米管增强复合材料细观力学性能分析

3.1有效弹性模量分析

复合材料的有效弹性性质受很多因素影响，包括碳纳米管弯曲效应、团聚效应等。施冬莉[5]采用Mori-Tanaka方法[4]为基础，考察了不同因素对碳纳米管复合材料有效弹性模量的影响。

3.1.1碳纳米管的弯曲效应对有效弹性模量的影响

碳纳米管长细比大，横向弯曲刚度低，因此制备过程中，很容易呈现弯曲形状。利用细观力学方法，选取一个代表性体积胞元，利用Mori-Tanaka[8]方法推导碳纳米管的弯曲效应对复合材料有效弹性模量的影响。结果碳纳米管复合材料的有效弹性模量不仅受碳纳米管的体积含量影响，而且碳纳米管的弯曲程度也对其有显著影响。弯曲程度越大，轴向弹性模量下降越快，而横向模量上升不明显，说明横向模量受弯曲效应的影响不大。

3.1.2碳纳米管的团聚效应对有效弹性模量的影响

利用等效夹杂概念，建立碳纳米管团聚效应的细观力学模型，定量考察碳纳米管团聚对复合材料有效弹性模量的影响。通过细观力学分析，得出碳纳米管体积含量较低时，团聚效应不是很明显。但随着体积比的增加，团聚现象的影响变得明显。

3.2强度分析

将碳纳米管看作为非连续纤维增强体，对其抗拉极限进行探讨。比较实验值和理论分析值，发现理论值大于实验值，而细观力学方法得到的值均是在理想界面粘接情况下得到的[6]，因此实际上实验值应低于细观力学方法得到结果，这说明对于纳米复合材料力学性能的预测还需要进一步研究。

3.3界面特性对力学性能的影响

界面层力学性能的差异会导致复合材料的弹性性能发生较大变化，是影响复合材料力学性能的重要因素[7]。罗冬梅等[1]对此进行了研究，并与Mori-Tanaka法[8]进行比较。

研究表明，当界面模量按常数规律变化时，随着界面模量的增大，复合材料的各有效弹性模量呈缓慢增长趋势直至为近似常数。研究还表明，复合材料有效弹性模量随着界面体积含量的增大而呈递增趋势。

4结论与展望

以上阐述了碳纳米管增强复合材料细观力学性能分析的相关研究，由此可以看出利用细观力学方法可以在理论上求解纳米复合材料的有效弹性模量等力学性能，并考察相关因素对复合材料力学性能的影响。

虽然碳纳米管在先进复合材料领域显示出了良好的应用前景，但碳纳米管增强复合材料的理论还需更深入的探索，需要进一步地对其微观结构和性能进行表征。凭借细观力学分析方法能够深入研究CNTs增强复合材料的力学性能及其影响因素。经过进一步研究，预计碳纳米管增强复合材料能更好地满足航天材料的要求。

参考文献

[1]罗冬梅，吴莹，黄健，等.纳米碳管增强复合材料界面特性对力学性能影响的数值分析[J].武汉科技大学学报,2009,32(3):279-283.

[2]辜萍，王宇，李广海.碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究[J].力学进展,2002,32(4):563-578.

[3]张研，张子明.材料细观力学[M].北京:科学出版社.2008:21-69.

[4]杜善义，王彪.复合材料细观力学[M].北京:科学出版社.1998:5-50.

[5]施冬莉.碳纳米管及其复合材料的力学性能研究[D].北京:航空航天研究院,2005.

[6]廖绍凯，杨黎明.纳米橡胶填充环氧树脂的压缩力学性能[J].宁波大学学报,

2009,22(1):112-116.

[7]BuryachenkoVA,RoyA,LafdiK,eta1.Multiscalemechanicsofnanocomposit-

esincludinginterface:experimentalandnumericalinvestigation[J].CompositesS-

cienceandTechnology,2005,65:2435-2465.

[8]OdegardGM,ClancyTC,GatesTS.Modelingofthemechanicalpropertiesofnanoparticle/polymercomposites[J].Polymer,2005,46(2):553-562.