碳纳米管纤维的动态力学性能及其温度相关性研究

High-performance carbon nanotube fiber is a type of micrometer-scale fiber which assembled by millions of nano-scale carbon nanotubes (CNT), which has become a hotspot of materials research owing to their excellent strength and energy absorption properties, but mainly focus on the mechanical properties of CNT fibers under quasi-static loading. This project attempts to develop the meso-scale dynamic tensile experimental techniques for investigating the dynamic behavior of individual CNT fiber and its temperature-dependency. The project mainly pay attention to reveal the strain rate effect and temperature effect of CNT fibers by a series of dynamic experiments in comparison with related quasi-static experiments , and illuminate the deformation and failure mechanisms of CNT fibers, then get insight into the mechanics mechanism of rate effect by using the helical structure related micro-mechanics models. The quasi-static/dynamic tension behaviors of CNT fibers under different temperatures have not yet been reported, this research has important significance for guiding the design of CNT structural materials and accelerating its application.

碳纳米管纤维是将纳米尺度的碳纳米管通过特定的方式装配而成的具微米尺度的新型纤维材料，其较高的强度和能量吸收等性能使其成为新材料研究的热点，但目前碳纳米管纤维主要集中于准静态力学性能方面的研究。本项目试图发展细观尺度的单根纤维动态拉伸实验技术来研究碳纳米管纤维的动态力学性能及其温度依赖性，以相关准静态实验为参考，从实验方面揭示碳纳米管纤维的应变率效应与温度效应，并阐明碳纳米管纤维的变形与失效机理，由此理论发展基于螺旋结构的微力学模型来探讨细观尺度下碳纳米管纤维的率效应的作用机制。温度作用下碳纳米管纤维的静动态力学性能的研究目前尚未见诸报道，此研究对于指导新型碳纳米管结构材料的设计和应用，具有十分重要的基础科学研究意义。

碳纳米管纤维是一种新型的高性能纤维，可以作为复合材料的组成部分，在航空工业、安全防护和电子器件等领域具有潜在的应用前景。而在应用过程中不可避免会遭遇跌落和外界撞击等高速加载的情况以及高温等热环境的影响，因此，探讨碳纳米管纤维在较高温度下的静、动态力学性能也是十分必要的。此项目发展细观尺度单根纤维在动态加载下的实验测试技术、纤维高温力学性能实验测试技术以及扫描电镜原位拉伸测试技术，结合数值模拟与理论研究了单根碳纳米管纤维动态力学变形与失效性能的应变率相关性以及温度效应。结果表明，碳纳米管纤维的强度随捻角的增加存在逐渐提高并降低的趋势，在捻角为20度时存在一个最优的强度值，在提供较高强度捻角的同时，也具备较好的数据重复性；随着捻角的增加，失效应变逐渐增加，其强度的应变率效应越显著；纤维的失效具有较强的界面内聚力相关性；与此同时，纤维的力学性能随着温度的升高而降低。此工作揭示了碳纳米管纤维与温度以及应变率相关的韧/脆转化机理，阐明了捻角对碳纳米管纤维应变率效应的作用的粘性机制，由此理论发展的微尺度模型和本构方程，可用来指导新型碳纳米管纤维的设计，促进其在航空工业、安全防护和电子等领域的应用。本项目发展的单根纤维的力学性能测试系列，为揭示细观尺度材料的动态力学性能提供了新的思路。