碳纳米管/树脂基复合材料阻尼形成机理解构及多尺度最优调配设计

Damping plays a significant role in the dynamic performance of structural systems. The project is focused on the microstructure, mesoscopic configuration and macrostructural performance of carbon nanotubes (CNT)/resin-matrix composite materials, studies its damping mechanism and investigates its multiscale design method. The mechanism of energy dissipation of the microstructure of CNT/resin-matrix composite will be analyzed based on molecular dynamics simulation. By using size-dependent non-classical continuum theories, viscoelastic damping models and multiphase equivalent theorem, some representative volume elements (RVE) involving different level of energy dissipation will be established and their size-dependent parameters and mechanical parameters will be identified. The damping mechanism of CNT/resin-matrix composite on the evolution of microstructure and mesoscopic configuration will be revealed by using the multiscale finite element method (FEM). By considering the size-dependent effect of microstructure and using the multiscale FEM, the multiscale digital model will be established to predict the dynamic performance of CNT/resin-matrix composite structures on the evolution of their microstructures and mesoscopic configurations. Finally, a design software will be developed to implement the multiscale design method, and will be useful for the potential designs and applications of high viscoelastic damping and high stiffness structures made of CNT/resin-matrix composite materials.

阻尼是影响结构动力学性能的关键因素。项目从碳纳米管/树脂基复合材料微观组织-细观构型-宏观性能多层面入手，解构其阻尼形成机理，探讨其多尺度设计方法。基于碳纳米管/树脂基微观组织的分子动力学行为分析，认知和解析其能量传导与耗散机制；基于考虑尺寸效应的非经典连续力学、粘弹性阻尼模型和多相材料等效理论，构建计及不同耗能的微观代表体积元模型，识别尺寸效应参数、力学性能参数，揭示碳纳米管/树脂基微观组织和细观构型变化对材料阻尼特性的影响机制；利用多尺度等效方法，建立碳纳米管/树脂基复合材料微观组织、细观构型和性能演化多尺度数字化模型，实现其微观组织-细观构型-宏观性能之间的定量预测及调配。研究碳纳米管/树脂基复合材料结构的多尺度最优调配设计，开发碳纳米管复合材料结构的微观组织-细观构型-宏观尺寸的多尺度设计原型系统，实现具有工程需求的高刚度高阻尼最优动特性的碳纳米管/树脂基复合材料结构的多尺度设计。

本项目旨在揭示碳纳米管/树脂基复合材料的微观组织和细观构型对材料多时间尺度阻尼特性的影响规律，构建计及多时空尺度影响的力学理论模型，为纳米复合材料提供面向多时空尺度力学及阻尼性能的调配设计方法。本项目从三个方面进行研究：.首先，以碳纳米管/树脂基复合材料中的碳纳米管和交联树脂为对象，基于全原子分子动力学方法揭示纳米复合材料的微观组织成分对其阻尼特性的影响机制。提出适用于模拟碳纳米管/树脂基复合材料的细观构型的力学性能的粗粒化分子动力学方法，通过结合实验研究和分子动力学研究，揭示纳米复合材料的细观构型对阻尼特性的影响机制。通过数值和实验研究表明，当达到一定的应变振幅后，碳纳米管所形成的界面产生滑移行为，能够大幅提高纳米复合材料的阻尼性能。.其次，基于考虑內禀特征长度影响和特征弛豫时间影响的非经典本构模型，应用并发展了广义连续介质力学理论模型，揭示了不同边界条件、內禀特征长度参数、特征弛豫时间参数、及多种载荷分布条件对静态拉伸、弯曲、自由振动、能量耗散行为和失稳行为的影响规律。所构建的广义连续介质力学理论模型能够通过在特定尺度下校正特征长度参数和特征弛豫时间参数，实现不同尺度的理论预测，为纳米复合材料提供了一种多时空尺度阻尼性能的调配设计方法。.最后，应用和发展了计及多种能量耗散机制的阻尼系统的动力学响应求解技术和灵敏度分析技术，提出了一种能够适用于含有特征弛豫时间参数的优化设计方法，研发了基于广义连续介质力学的多尺度优化设计原型系统，实现了材料刚度与阻尼的结构创新设计。.在本项目支持下，本课题组在International Journal of Engineering Science、Nanoscale、Composites Science and Technology、Composite Structures、Materials & Design、Mechanical Systems and Signal Processing、International Journal of Mechanical Sciences等知名期刊发表SCI论文共36篇，其中2篇入选“中国百篇最具影响力国际论文”。本项目协助培养博士生5人，硕士生4人（其中2人已获硕士学位）。此外，项目负责人入选2019年度科睿唯安高被引科学家。