碳纳米管/金属复合材料变形和损伤行为的多尺度模拟

Deeply understanding of the deformation and damage behaviors is of great importance to improve and match the comprehensive mechanical properties, such as the modulus, the strength and the ductility, of the carbon nanotube (CNT)/metal composites. It can accelerate the research and development of new CNT/metal composites. However, it is challenging to elucidate the deformation and damage mechanical behaviors at both the macroscale and the microscale. This project combines the in-situ neutron diffraction analysis, strain gradient plasticity theory, multiscale damage modeling and multiscale finite element modeling methods. The load partition and evolution in the metal matrix and the CNTs during deformation and damage processes will be analyzed. The influence mechanisms of CNTs on the damage initiation and evolution of the metal matrix (especially the micro-zone adjacent to the interface) will be investigated. The inherent function mechanisms of the CNTs (content, aspect ratio, shape and distribution configuration), the CNT/metal interface bonding strength, the properties of the micro-zone adjacent to the interface and the metal matrix on the deformation and damage of the composites will be ascertained. Through these investigations, the inter-relationship between the microstructure, the loading conditions, and the multiscale mechanical behaviors will be established. The multiscale theoretical model for investigating the deformation and damage behaviors of the CNT/metal composites could be built up. Our theoretical work can provide guidance for optimizing the microstructures, mechanical properties and plastic forming processes of the CNT/metal composites.

深入理解变形和损伤行为对促进碳纳米管（CNT）/金属复合材料模量、强度和塑性等综合力学性能的提升与匹配有重要意义，可加速新型CNT/金属复合材料的研发。然而，同时阐明宏观和微观尺度下的变形和损伤力学行为具有挑战性。本项目将原位中子衍射分析、应变梯度塑性理论、多尺度损伤建模和多尺度有限元建模相融合，分析变形和损伤过程中金属基体和CNT的载荷分配及其演化行为；研究CNT对金属基体（尤其是近界面微区）损伤萌生和演化的影响机制；探明CNT（含量、长径比、形态和分布构型）、CNT/金属界面结合强度、近界面微区和金属基体性质对复合材料变形和损伤的内在力学作用机制。通过这些研究，可构建微观结构、加载条件和多尺度力学行为的相互关系，建立起研究CNT/金属复合材料变形和损伤行为的多尺度理论模型，为优化CNT/金属复合材料的微观结构、力学性能及其塑性加工成型过程提供理论指导。

复杂的大长径比增强相结构在代表性体积单元建模上存在困难，先插入的增强相占据大量空间，导致模型结构简单，体积分数低，为此，我们开发了刚体堆垛模拟辅助插入法建模软件，解决了高含量复杂结构建模的难题。建模方法可以生成不同尺寸的代表性体积单元，验证模型统计性，可以划分不同有限元网格尺寸，以调控计算精度和计算量。有限元模拟拉伸变形过程得到的碳纳米管增强铝基复合材料弹性模量增量与实验结果一致，验证了模型的有效性。利用新的方法，能够有效搭建结构更复杂、取向可调控、体积分布更高的模型，该方法的通用性也更强。目前该方法已经可以方便地构建大长径比结构、双模结构、颗粒密堆结构等多种复杂结构模型。这部分研究成果为复合材料结构建模建立了通用性的方法和软件，为未来的性能拟实和复杂结构复合材料微观结构设计奠定了基础。.研发制备了多种不同构型的CNT铝复合材料，对CNT铝复合材料进行了系统的微观结构和力学性能表征，通过结合高能球磨获得异质基元，结合粉末铺设进行组装，结合粉末致密化和变形加工以小制大，从而获得双模、叠层、年轮等限域复合构型。相比均匀的复合材料，双模、叠层、年轮等限域构型均具有更高的强度和韧性，但不同的限域构型间并未产生明显的性能差别。结合有限元计算发现，延性区可大幅减缓微裂纹尖端的应力集中，钝化裂纹，这可能是限域构型强韧化的重要原因。.相关研究成果为优化碳纳米管增强金属复合材料的结构、性能及加工成型提供了理论指导，可加速新型碳纳米管增强金属基复合材料的研发。基于相关研究成果，研发了高强韧碳纳米管增强铝基复合材料，为航空、航天等关键领域提供了高性能的新型材料。