纳米碳管与纳米颗粒混合增强陶瓷基复合材料力学性能的多尺度分析

基于多尺度渐近均质化理论及蒙特卡罗法计算纳米碳管与纳米颗粒随机分布在陶瓷基体上时混合增强陶瓷基复合材料的有效弹性常数并在此基础上进行热-应力耦合分析，描述温度变化对应力变化的影响；结合断裂力学理论，计算界面残余应力，根据裂纹在残余应力场中的扩展规律分析裂纹偏转、分支及桥连等增韧机理；分组讨论碳管或颗粒体积比一定时，颗粒粒径、碳管长径比、界面结合特征等的变化对复相陶瓷材料力学性能的影响；基于热弹性理论计算残余应力、热膨胀系数及热传导系数等参数，分析复相陶瓷材料的温变效应对增韧机制的影响并讨论纳米碳管与颗粒协同作用下复相陶瓷材料的破坏形式，构建非线性本构方程，建立强度条件；采用统计学方法对结果进行多元回归分析,明确每一种增强相对强韧化机制的贡献,解释碳管和颗粒混合增韧的机制;合理控制碳管和颗粒的添加量，预测混合增韧的最佳效果和最佳配方。本课题旨在为促进结构陶瓷的技术进步与开发应用提供理论指导。

陶瓷以其强度高、耐高温、耐腐蚀等优点成为材料家族中的重要一员，但它的高脆性和低韧性限制了它的广泛应用,研究纳米碳管和纳米颗粒对复合陶瓷材料强韧化机制的影响，对改善复相陶瓷材料的力学性能具有重要意义。本课题基于多尺度渐近均质化理论结合AUTOCAD几何建模与ANSYS有限元理论计算纳米碳管与纳米颗粒随机分布在陶瓷基体上时混合增强陶瓷基复合材料的有效弹性常数；利用Eshelby理论和Mori-Tanaka法推导出包含3种以上不同形状的增强相时复合材料的有效力学性能近似计算公式； 利用蒙特卡罗法构建不同级别的颗粒随机投放方式建立随机骨料增强复合材料的三维有限元模型，分组讨论碳管或颗粒体积比一定时，颗粒粒径、碳管长径比、界面结合特征等的变化对复相陶瓷材料力学性能的影响；结合断裂力学理论，计算界面残余应力，根据裂纹在残余应力场中的扩展规律分析裂纹偏转、分支及桥连等增韧机理；基于热弹性理论计算了热残余应力和热膨胀系数，分析复相陶瓷材料的温变效应对增韧机制的影响并讨论纳米碳管与颗粒协同作用下复相陶瓷材料的破坏形式，分析最大裂纹张开位移，最大法向拉伸应力等因素对损伤过程的影响；发展了一种界面损伤控制方程，分别分析纵、横向载荷作用下纳米增强陶瓷基复合材料的损伤演化规律和微区应力分布特征，并在此基础上进行热-应力耦合分析，描述温度变化对应力变化的影响, 明确每一种增强相在局部应力分担中的作用;分析空心、弯曲型纳米碳管对复合材料应力集中系数和有效力学性能的影响，合理选择纳米碳管的几何形状与分布特征,为促进纳米陶瓷的技术进步与开发应用提供理论指导。