碳纳米管/聚合物复合材料力学性能预示方法研究

Novel nanomaterials represented by carbon nanotubes can greatly improve the mechanical properties of polymers, which has become an important direction in the development of advanced composites. However, there is a lack of perfect theory to predict the mechanical properties of carbon nanotube/polymer composites at present. The present work is devoted to study the prediction method for mechanical properties of carbon nanotube/polymer composites based on nonlocal theory. Considering the scale effect of carbon nanotubes and viscoelastic properties of polymer matrix simultaneously, the nonlocal mechanical model for mechanical behavior analysis of carbon nanotubes embedded in polymer matrix is developed. On this basis, a nonlocal Eshelby-Mori-Tanaka model for mechanical properties prediction of carbon nanotube/polymer composites is established, which is then validated and modified through specimen preparation and mechanical property test. Finally, a multi-scale mechanics analysis method for carbon nanotube/polymer composites is proposed. The present study may provide scientific basis and theoretical guidance for mechanics analysis and optimization of carbon nanotube/polymer composites and support the development of high-performance polymer composites and their applications in major engineering projects.

以碳纳米管为代表的新型纳米材料可有效改善聚合物的力学性能，已成为当今先进复合材料领域发展的重要方向，但目前尚缺乏较为完善的理论来精确预示其等效力学性能。本项目拟基于非局部理论开展碳纳米管/聚合物复合材料力学性能预示方法研究。综合考虑碳纳米管的尺度效应及聚合物基体的粘弹性，建立聚合物基体中碳纳米管力学行为分析的非局部理论模型，在此基础上构建碳纳米管/聚合物复合材料等效力学性能预示的非局部Eshelby-Mori-Tanaka模型，并通过试样制备与力学性能测试对其进行校核与修正，最终形成一套碳纳米管/聚合物复合材料多尺度力学分析方法。项目研究可为碳纳米管/聚合物复合材料力学性能的分析与优化提供科学依据和理论支撑，有力推动高性能聚合物复合材料的研制及其在重大工程领域的应用。

以碳纳米管为代表的新型纳米材料可有效改善聚合物的力学性能，已成为当今先进复合材料领域发展的重要方向，但目前尚缺乏较为完善的理论来精确预示其等效力学性能。本项目基于非局部理论开展碳纳米管/聚合物复合材料力学性能预示方法研究。综合考虑碳纳米管的尺度效应及聚合物基体的粘弹性，建立了聚合物基体中碳纳米管力学行为分析的非局部理论模型，在此基础上，构建了碳纳米管/聚合物复合材料等效力学性能预示的非局部Eshelby-Mori-Tanaka（EMT）模型，最终形成了一套碳纳米管/聚合物复合材料多尺度力学分析方法。项目研究可为碳纳米管/聚合物复合材料力学性能的分析与优化提供科学依据和理论支撑，有力推动高性能聚合物复合材料的研制及其在重大工程领域的应用。此外，在本项目基金资助下，本团队使用理论建模和仿真模拟的方法针对航天领域可重复使用热塑性复合材料构件的弹塑性行为开展了研究，为碳纳米管在热塑性复合材料中的应用打下良好基础。本项目研究过程中共培养了2名硕士研究生，并发表了13篇国内外学术论文，其中SCI检索3篇，EI检索8篇，中文核心2篇。