考虑微结构特征的纤维素纳米纸非线性本构关系研究

As a renewable nano-biomaterial, cellulose nanopaper has superior mechanical properties and potential applications in the field of electronic components. Its strengthening and toughening mechanisms provide a new strategy for addressing the conflict between strength and toughness of engineering materials. By means of both experiments and theoretical modeling, this project intends to investigate the mechanical behavior of cellulose nanopaper and elucidate the nanofiber network structure-mechanical property relationship. The experimental methods will be used to characterize the elasto-plastic mechanical behavior of cellulose nanopaper and reveal the underlying deformation mechanisms and the effect law of microstructure parameters on mechanical behavior. Considering the fiber network structure feature, the nonlinear constitutive relation of nanopaper will be developed to correlate its mechanical properties (i.e. elastic modulus and tensile strength) with microstructure and to clarify the quantitative relationship between mechanical properties and microstructure parameters. Using such a constitutive relation, the range of structural parameters of nanopaper corresponding to superior mechanical properties will be determined and the innovation design of fiber network microstructure will be achieved. The research findings can provide a novel method and theoretical foundation for the structure design of cellulose nanopaper, and also contribute to the development of nanopaper-like materials’ mechanics.

作为可再生的生物纳米材料，纤维素纳米纸在电子元器件领域具有广阔的应用前景，呈现了优越的力学性能，它的强韧化机理为解决工程材料强度和韧性之间的矛盾提供了新策略。本项目拟通过实验与理论建模相结合的方法，系统研究纤维素纳米纸的力学行为，阐明其纳米纤维网络结构-力学性能的关系。通过实验方法表征纤维素纳米纸的弹塑性力学行为，揭示其变形机理，探讨其微结构参数对力学行为的影响规律；考虑纳米纸的纤维网络结构特征，发展其非线性本构关系，关联其力学性能（如弹性模量和拉伸强度）与微结构，明晰其力学性能与微结构参数之间的定量关系；借助所建立的非线性本构关系，确定具有优越力学性能的纳米纸所对应的结构参数范围，对其纤维网络微结构进行创新设计。本项目的研究成果，可为纤维素纳米纸的结构设计提供新方法和理论基础，也有助于类纳米纸材料力学的发展。

作为典型的生物纳米材料，纤维素纳米纸在新兴电子及储能器件等领域具有广阔的应用前景。纤维素纳米纸的力学性能对保持其器件及设备的结构完整性和功能性起到了至关重要的作用。理解纤维素纳米纸微纳结构与力学性能的定量关系及强韧化机制将有助于其高性能力学设计和制备，进而促进这一绿色纳米材料在上述领域的应用。本项目发展了纤维素纳米纸的多尺度非线性本构关系，实现了其力学性能与微纳结构的关联，揭示了其强韧化机制，阐明了微纳结构对其非线性力学行为的影响规律，并解决了将纳米纤维网络的微纳结构特征及纳米纤维之间氢键的重复断裂与重构机制嵌入纤维素纳米纸理论模型这一关键科学问题。主要研究成果包括：（1）发展了纤维素纳米纸的多尺度本构关系，实现了其非线性力学行为与微纳结构的关联，构建了其拉伸模量、强度和韧性与微纳结构的定量关系，并捕捉了纤维素纳米纤维界面氢键的断裂与重构机制。（2）在热力学理论框架下，提出了纤维素纳米纤维网络结构材料的机制驱动本构模型。通过耦合纳米纤维构型熵、界面氢键势能及水分子混合能的贡献，建立了其自由能函数。（3）建立了纤维螺旋分布纤维素纳米纸的弹性理论模型及裂纹桥联扭转模型。考虑纳米纤维的旋转角和纤维界面氢键作用，给出了纳米纸的断裂韧性表达式。本项目的研究成果能够为纤维素纳米纸的高性能力学设计提供理论基础，并将有助于生物纳米纤维网络结构材料力学的发展。