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作者：

陈蔚

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摘要：

微纳米多相增强复合材料(MPRC)是在传统纤维增强复合材料(FRP)的基础上引入纳米尺度的填充相而得到的一种新型高级工程材料,由于其良好的力,电,化学性能等,在空天,化工,制造和生物医学等工程和现代科技领域有广阔的应用前景.目前制备MPRC主要有基体改性和纤维表面修饰两种途径.已有的研究表明MPRC相比FRP拥有诸多更加优越的力学性能,纳米相的引入如何影响复合材料力学性质的研究已经成为复合材料力学领域的热点课题.厘清微纳米多相复合材料的增强机理对MPRC物理力学性能的评估以及实现其在工程领域的应用和可调控性具有重要指导意义.本文以二氧化硅纳米颗粒改性基体和碳纳米管修饰纤维表面这两种代表型微纳米多相复合材料为研究对象,对MPRC的力学性能增强效果,原理开展研究.本文首先从实验和理论上研究了MPRC在准静态条件下的横向拉伸,层间剪切,轴向压缩等力学性能与断裂行为,研究了纳米颗粒对基体压缩行为的影响及在复合材料中与纤维的协同增强作用,对比了两种纳米相在MPRC横向拉伸,层间剪切性能方面的的提升幅度与机理,定量性地阐述了二者的作用机制.通过先进的测量手段表征了裂纹扩展前后纤维/基体的界面及其附近区域的变形特征,定量化解释了碳纳米管的锚固与桥连作用;其次,为了开展这些研究的需要,本文发展了纤维束试验方法和数字图像相关法(DIC)两种实验方法,前者为MRPC层间性能的测量提供了一种便捷,简单的测试方法,后者则在MPRC关键变形特征的表征上提供了一种可靠的DIC测量方案;最后,通过本文所发展的实验方法和相关本构,强度模型,可以实现对MPRC层合板试件横向拉伸,层间剪切和轴向压缩等力学性能的预估.论文的具体内容包括:(1)轴向压缩方面,研究了球形的纳米颗粒对MPRC的轴向压缩行为的影响规律.发展了一个能够描述不同纳米颗粒含量影响的基体压缩本构.提出了一个考虑基体由损伤和塑性耦合作用引起的非线性行为影响的微屈曲强度模型来表征纳米颗粒与纤维对MPRC轴向压缩性能的协同增强作用,建立起一套可以预测不同纳米颗粒含量的MPRC轴向压缩强度的方法.(2)横向拉伸和层间剪切方面,对比研究了纳米颗粒改性基体和碳纳米管修饰主纤维表面这两种MRPC的增强效果.纳米颗粒的引入,不仅提高了基体的刚度,还阻碍复合材料中微裂纹的扩展,耗散更多的能量,形成更大的断口面积.碳纳米管的增强作用则集中在纤维与基体的界面性能的显著改善上.通过主应变和本文定义的剥离剪应变,应力集中程度等多个指标,量化了这两种纳米相的增强机制.(3)断裂行为方面,研究了碳纳米管植入主纤维表面后对MPRCs jiemian断裂行为的影响.通过结合原位双向拉伸纤维束试验方法和高速DIC方法,在不预制裂纹的情况下,成功表征了纤维束试件在横向拉伸时界面的裂纹扩展前后的变形场特征,从破坏过程中的定量性指标来阐述碳纳米管的锚固,拔出,与桥连作用.(4)改进了两个实验方法:纤维束复合材料试验方法和DIC方法.通过所建立的横向拉伸和层间剪切的强度模型,实现基于纤维束实验对MPRC层合板力学性能的预测.利用所提出的DIC的性能评估方法,可以通过控制误差来反馈合理计算参数,实现在MRPC裂纹尖端等复杂变形场中的可靠测量.

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关键词：

微纳米复合材料；力学性能；增强机理；强度模型；实验方法