碳纳米管增强聚合物复合泡沫材料力学性能的多尺度研究

As a new nanocomposite foams, CNT/polymer nanocomposite foams exihibit excellent mechanical properties. It is therefore significant to understand the influence of the microstructure on mechanical properties of this type of materials. This project is focused on CNT reinforced nanocomposite foam, and multiscale mechanical models based on the its microstructures are established to simulate internal deformations, damage envolutions and macroscopic mechanical behaviors. The constitutive relationships of such materials are established by experiments, analyses and numerical simulations. Based on the research of experiments and numerical simulations, the effects of CNT distribution parameters on the mechnical properties of the composites are investigated, as well as the effect of micro-bubble parameters on the deformation and failure mechanism of nanocomposite foams, and the mechanism of CNTs reinforcing the nanocomposte foams. Finally, the relationship of process parameters and model parameters are established, which is expected to provide an insight into the optimal design of mechanical properties for such materials.

作为新型的纳米复合泡沫材料，碳纳米管增强聚合物复合泡沫材料具有优异的力学性能，清楚地了解其微结构特征对力学性能的影响规律着十分重要的意义。本项目拟以碳纳米管增强复合泡沫材料为研究对象，建立能反映其各级结构特征的多尺度模型，对不同加载条件下材料的宏观力学行为和材料内部的变形、损伤演化规律进行定量的描述和模拟。结合理论、数值模拟和实验研究结果，建立该类材料的本构关系。在实验与数值模拟的基础上，深入探讨碳纳米管分布参数对复合材料力学性能的影响，并深入研究细观气孔参数对复合泡沫材料变形与失效机制的影响，探讨碳纳米管对复合泡沫材料的增强作用机理。同时，建立材料制备工艺参数与模型控制参数的联系，从而为材料力学性能的优化和设计提供理论指导。

本项目以碳纳米管增强复合泡沫材料为研究对象，建立能反映其各级结构特征的多尺度模型，对不同加载条件下材料的宏观力学行为和材料内部的变形、损伤演化规律进行定量的描述和模拟。利用MD模拟，研究了CNT与聚合物基体间的相互作用关系。通过模拟CNT的周期性滑移过程，着重研究了CNT表面改性对界面剪切性能的影响，并结合基体的剪切变形特征，得到了CNT/聚合物界面强弱判断准则；接着又通过拔出模拟，研究了CNT端部对整体界面性能的影响，从而获得了一组完整的界面性能本构关系。随后，将等效界面引入本项目首创的三相EET模型中，构建了CNT增强聚合物材料的多尺度力学模型，讨论了CNT分布形式与等效界面性能对复合材料等效弹塑性性能的影响，并建立了CNT增强纳米复合泡沫骨架材料的均质化等效本构模型。基于在能够反映CNT空间分布的尺度下建立的纳米复合泡沫骨架模型，并利用显式动力学FE模拟研究了纳米复合泡沫材料的宏观压缩性能；通过将模拟结果与实验对比探讨了CNT的微细观增强机理，并验证了本文多尺度力学分析方法的有效性。在实验与数值模拟的基础上，深入探讨碳纳米管分布参数对复合材料力学性能的影响，探讨碳纳米管对复合泡沫材料的增强作用机理。