碳纳米管水泥基复合材料疲劳性能研究

With the excellent mechanical characteristic of carbon nanotube，analyzing the fatigue performance of multi-wall carbon nanotube reinforced cement based composites from the angle of experiments and numerical simulations. First, some bending fatigue tests about multi-wall carbon nanotube cement based composites will be carried out. Scanning electron microscope、energy disperse spectroscopy are used to analyze the interface bond, the distribution, morphology and the strengthen mechanism of carbon nanotube, , research the effects of the different mullti-wall carbon nanotube content and the sand gradation to fatigue life of composites, investigate the relationship between the number of cycles and the strain, the position, width and height of cracks, predict the fatigue life of composites with the deformation theory and the tests data. Second, numerical simulating the fatigue performance of multi-wall carbon nanotube cement based composites with finite element method, research the effects of carbon nanotube content, geometrical and mechanical parameters to the macro-mechanical properties of composites, analyze the fatigue life of composites with fatigue analysis software (e.g. FE.SAFE), get the elements fatigue life in different stress levels, in terms of fatigue failure probability, predict the whole fatigue life of composites. Finally, comparing the test data and the numerical results, build the fatigue life equation related the crack propagation height.

利用碳纳米管优异的力学性能，从试验和数值模拟两个角度研究多壁碳纳米管水泥基复合材料的疲劳性能。首先，对多壁碳纳米管水泥基复合材料弯曲疲劳性能进行试验，通过扫描电镜、能谱仪等从微纳观角度分析多壁碳纳米管在基体中的分布、形貌、界面结合以及其对复合材料的增强、增韧机理，分析不同碳纳米管含量、不同砂粒级配对复合材料疲劳寿命的影响规律，研究加载循环次数与应变、裂纹位置、宽度、高度等的相互关系，通过变形理论和试验数据预测疲劳主裂纹扩展寿命。其次，采用有限元方法数值模拟多壁碳纳米管水泥基复合材料的疲劳性能，研究碳纳米管含量及各组分几何、力学参数等对复合材料宏观力学性能的影响，利用疲劳分析软件进行复合材料的疲劳寿命分析，获得在同一应力比不同应力水平下各单元的疲劳寿命，依据疲劳失效概率预测复合材料整体疲劳寿命。最后，将数值模拟结果与真实疲劳试验结果进行对比，建立与主裂纹扩展高度相关的疲劳寿命表征式。

纳米技术的出现极大地拓展了各种新材料研制的可能，纳米材料因其优异的力学、物理性能，在诸多领域均展现出了良好的应用前景，碳纳米管在改善水泥基复合材料疲劳性能方面也体现出了其卓越的性质，本项目从试验、理论和数值分析的角度研究了多壁碳纳米管水泥基复合材料疲劳性能。.在水泥基复合材料中掺入多壁碳纳米管可以改善基体的抗折强度，当碳纳米管掺量为0.1%时，试件抗折强度得到最优值。通过碳纳米管水泥基复合材料静载抗压试验，当碳纳米管掺量为0.15%时，水泥基复合材料的抗压强度最优。碳纳米管水泥基复合材料疲劳性能试验离散性大，但总体上，当碳纳米管掺量为0.2%时，复合材料疲劳寿命较大，掺量为0.1%时，试件疲劳寿命相对稳定，掺量为0.3%时，低于素水泥基复合材料的疲劳寿命。运用两参数和三参数威布尔分布理论回归分析，试件疲劳寿命相关系数接近1，均呈良好的线性关系，服从威布尔分布规律。碳纳米管掺量在0.1%时，试件方差相对较小，抗疲劳性能稳定性较好。基于大型商业有限元软件ANSYS，数值模拟了碳纳米管水泥基复合材料的力学性能。碳纳米管长度和直径对复合材料力学性能有显著的影响，数值分析结果显示，水泥基复合材料的强度随着碳纳米管长度的增加呈现先增强后减弱的现象。而保持一定长度和掺量的情况下，在小应变范围内，复合材料的强度随着碳纳米管管径的增大而加强。另一方面，温度同样也影响着复合材料的力学性能，保持碳纳米管掺量、长度、直径不变的情况下，碳纳米管水泥基复合材料的强度随着温度的升高略微增强。.通过该项目的实施，提出了一简单的碳纳米管在水泥基中的分散方法，确定了一个合理改善复合材料疲劳性能的掺量，同时对碳纳米管水泥基复合材料疲劳寿命数据进行了离散性分析，为碳纳米管在水泥基中的使用提供了试验数据，对新材料在实际工程中的应用推广具有重要的科学意义。