分级超级碳纳米管及分级轻质结构的性能研究

拟研究具有分级(hierarchical)特性的超级碳纳米管和宏观轻质结构。.所谓的"超级石墨"，是用Y型分叉碳管连接众多单壁碳纳米管，形成类似石墨结构的纳米管网络；与石墨卷成单壁碳管类似，将此网络卷成圆筒形的结构，即形成"超级碳纳米管"(super-nanotube，ST），形式上与碳管非常类似。利用其分级特点，可继续构造更高阶的超级结构，甚至达到常规尺寸。分级碳管结构具有特殊的力、电、热学属性，在微电子和复合材料等方面有乐观的应用前景。受此结构的启发，也可构造各种具有分级特性的宏观轻质结构。拟采用连续介质力学、分子结构力学和实验的方法分析宏观分级结构的力学特性。.不论是宏观还是微观的分级结构，都打破了传统格栅的平移或旋转对称的生成方式，而具有独特的仿射对称性。国际上同类研究尚在起步阶段，因此研究其基本性能，探索其应用，具有重要的理论意义和应用价值。

在分级超级碳纳米管的研究中，本项目获得了不同形式的超级纳米管网络结构在自由振动情况下的响应特性，以及结构在压缩载荷作用下的弹性屈曲特性。针对由直纳米管和分叉纳米管连接而成的超级纳米管结构Super-Graphene (SG) 和Super-Square (SS)，利用分子结构力学（MSM）的方法进行了研究。发现了两种结构的固有频率和振型具有对细观拓扑结构和细观长径比的无关性。在屈曲分析中，发现两种结构的临界屈曲载荷都随着结构整体尺寸和细观长径比的增加而降低，利用连续介质板的理论可以准确预测SS结构的临界屈曲载荷，但是对于具有不均匀屈曲模态的SG结构，连续介质板的理论预测有偏差。与具有更少碳原子的平面石墨结构相比，超级纳米网络稳定性更好，更不容易失稳。. 在关于宏观格栅结构的研究中，重点针对宏观格栅结构的动态性能进行分析。本项目得到了不同形式的宏观格栅在非对称变形模式下，等效失效应力随失效形式变化的规律。此外，在宏观吸能结构方面，对利用塑性变形吸收能量的金属圆管翻转问题进行了理论和试验分析，获得了比前人更好的结果。此外，在阅读了大量最新文献的基础上，项目负责人对当前塑性动力学领域的研究热点问题的研究方法和最新进展进行了综述和点评。