碳纳米管束/聚合物复合纤维的力学行为及增强机理

CNT-bundle/polymer composite fiber is made of a CNT fiber infiltrated with polymer. Microscopic experimental observations and molecular dynamic simulations are combined to build a multi-scale analysis model for the CNT-bundle/polymer composite fiber. The macro-scale mechanical behavior of the CNT-bundle/polymer composite fiber and its relationship with the hierarchical configuration and interface are studied. Reinforcement and toughening mechanisms of the CNT-bundle/polymer composite fiber are also revealed. The study is carried out in the following aspects: coarse grained molecular dynamic models are built for the CNT bundle and the polymer, respectively, to simulate the polymer infiltration process in CNT fiber, in order to obtain an accurate model of the infiltration interface between CNT bundle and polymer; curves of normal force versus normal distance and tangential force versus sliding distance at the interface are calculated; cohesive model and its parameters are determined from the simulation results to develop continuum model for the CNT-bundle/polymer composite fiber; tensile mechanical properties of the CNT-bundle/polymer composite fiber are calculated based on the cohesive continuum model, taking into account the effects of diameter of the CNT-bundle as well as molecular structure and chain length of the polymers, and are confirmed with experimental results; relation between macro-scale mechanical behavior of the CNT-bundle/polymer composite fiber and interfacial behavior are analyzed to reveal the reinforcement mechanism.

碳纳米管(CNT)束/聚合物复合纤维是CNT纤维经聚合物溶液浸润处理形成的具有多层级结构的一维复合材料。本项目旨在结合微观实验观测与分子动力学模拟，发展CNT束/聚合物复合纤维的多尺度分析模型，研究其宏观力学行为与微观结构和界面之间的依赖关系，揭示CNT束/聚合物复合纤维的增强增韧机理。具体内容包括：建立CNT纤维和聚合物的粗粒化分子动力学模型，模拟聚合物浸润CNT纤维的过程，得到真实的CNT束/聚合物浸润界面结构和复合纤维微观网络结构，计算浸润界面沿法向和切向的张力-位移曲线；确定浸润界面的内聚力模型与参数，发展界面的内聚力单元；计算CNT束/聚合物复合纤维的拉伸力学性能，分析CNT束直径、表面结构、聚合物分子结构和分子链长等因素的影响，并实现数值模拟与实验的相互印证；分析CNT束/聚合物复合纤维的宏观力学行为与界面力学行为的关系，揭示聚合物浸润对CNT纤维的增强机理。

碳纳米管(CNT)束/聚合物复合纤维是CNT纤维经聚合物溶液浸润处理形成的具有多层级结构的一维复合材料，关于 CNT 纤维及其复合材料的研究一直是国际前沿方向，了解 CNT 束/聚合物复合纤维的宏观力学行为与微观结构及界面的关系以及增强机理，对于 CNT 纤维及其复合材料未来发展和应用至关重要。主要研究内容包括：建立CNT纤维和聚合物的粗粒化分子动力学模型，模拟聚合物浸润CNT纤维的过程，得到真实的CNT束/聚合物浸润界面结构和复合纤维微观网络结构；研究CNT纤维与聚合物间界面力学性能，发展界面的内聚力模型；计算CNT束/聚合物复合纤维的拉伸力学性能，分析CNT束直径、表面结构、聚合物分子结构和分子链长等因素的影响，并实现数值模拟与实验的相互印证；分析CNT束/聚合物复合纤维的宏观力学行为与微观结构的关系，揭示聚合物浸润对CNT纤维的增强机理。重要结果包括：经过PVA浸润处理后，CNT纤维的线弹性阶段缩减，表明CNT束之间的载荷传递效率得到提高；复合纤维的拉伸模量为175GPa，相对于CNTF的30GPa提高了5.8倍。由于CNT/PVA复合纤维的线性阶段和非线性阶段缩短，材料较早的进入破坏阶段；CNT束之间的载荷传递效率显著提高，导致CNT拉伸破坏，而且在CNT纤维和复合纤维总能量随施加应变的变化中，键伸长引起的能量变化都起到了最主要的作用。基于UTMT150测试系统开发的一种用于微滴包埋测试的实验装置；实验测定了CNT 纤维与聚合物基体之间的界面结合强度，得到其界面强度约为4.06MPa，界面脱粘的载荷-位移曲线的斜率受微滴包埋面积和未包埋段纤维长度的影响，界面的最大脱粘载荷会随着 CNT纤维被包埋段长度的增加而增加。而界面剪切强度只依赖于纤维增强体和聚合物基体的材料类型。本项目研究结果对于 CNT 纤维及其复合纤维的发展与其在人工肌肉、柔性传感器件以及驱动结构上具有理论参考价值与指导意义。