超级纳米碳管增强复合材料的界面纳观增强机理及跨尺度计算研究

超级纳米碳管是由许多单壁纳米碳管组成的网络，其中包含的原子数以亿计。对于如此庞大的系统，目前还没有有效的方法对它进行研究。因此，本项目将建立基于原子层次上的细胞自动机方法用以扩展纳米碳管复合材料的研究尺度。此方法建立后，就可以将纳米复合材料的分析尺度拓展到上亿个原子量级以上，从而可分析超级纳米碳管的实际应用问题，如超级纳米碳管的增强作用。由于超级纳米碳管具有强度高、重量轻等优良特性，极其适合于作为复合材料结构中的增强材料。但要得到高强的超级纳米碳管增强复合材料，必须了解超级纳米碳管的增强机理，提高碳管与基体材料之间的界面性能。因此，本研究将利用所建立的理论模型，定量分析功能化处理对碳管本身及纳米复合材料整体力学性能的影响，并优化界面各参数以提高超级纳米碳管和聚乙烯组成的纳米复合材料的力学性能。相应的分析方法和研究结果将用来指导超级纳米碳管增强复合材料的设计与制造。

本项目进行了以下几方面的研究：.（1）研究了几种先进材料（包括超级碳纳米管、多层石墨烯片、压电纤维增强复合材料和形状记忆聚合物等）的力学行为。提出了适合碳纳米管变形和破坏行为分析的广义分子结构模型，考察了X型和Y型超级碳纳米管的破坏机理；开发了一个基于van der Waals 作用显式公式的非线性连续模型，研究了多层石墨烯片的非线性受迫振动；基于Euler–Bernoulli 梁理论和von Kármán 几何非线性，给出了压电纤维增强复合材料梁的控制方程，研究了在力热电组合加载下的静态大变形、热力屈曲、后屈曲和非线性振动；采用考虑形状记忆效应的三维本构模型数值模拟了形状记忆聚合物（SMP）铰结构的热力学行为，研究了悬索结构参数对非线性加载过程的影响。.（2）发展了适用于微尺度下描述压电材料力电耦合行为的微态（热）电弹性理论，建立了静态和动态微态电弹性固体边（初）值问题的广义变分原理。作为实例验证，应用该理论，研究了受力电载荷作用的悬臂（简支）压电微梁的弯曲问题和含圆形孔洞（夹杂）的无限大压电材料的反平面问题，成功预测了微尺度下压电材料力电行为所表现出的尺寸效应。.（3）提出了基于分子动力学方法的力电耦合计算框架，建立了纳米尺度铁电体介电常数的计算模型，模拟了纳米尺度铁电畴在机械载荷作用下的演变行为，揭示了纳米尺度漩涡和反漩涡构型特性及其相互作用关系，探讨了漩涡畴和反漩涡畴的运动、碰撞和湮灭行为，讨论了铁电畴演化的应变率效应。.以上3方面的研究成果经整理，在国际权威期刊上共发表9篇SCI收录论文，另有2篇论文被录用，待出版。此外，该项目还培养了中青年学术带头人 2人，培养毕业博士生 2人，在读博士生2人，毕业硕士生3人，在读2人等。