《碳納米管束/聚合物複合纖維的力學行為及增強機理》是依託北京工業大學，由劉夏擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管束/聚合物複合纖維的力學行為及增強機理
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉夏
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳納米管(CNT)束/聚合物複合纖維是CNT纖維經聚合物溶液浸潤處理形成的具有多層級結構的一維複合材料。本項目旨在結合微觀實驗觀測與分子動力學模擬，發展CNT束/聚合物複合纖維的多尺度分析模型，研究其巨觀力學行為與微觀結構和界面之間的依賴關係，揭示CNT束/聚合物複合纖維的增強增韌機理。具體內容包括：建立CNT纖維和聚合物的粗粒化分子動力學模型，模擬聚合物浸潤CNT纖維的過程，得到真實的CNT束/聚合物浸潤界面結構和複合纖維微觀網路結構，計算浸潤界面沿法向和切向的張力-位移曲線；確定浸潤界面的內聚力模型與參數，發展界面的內聚力單元；計算CNT束/聚合物複合纖維的拉伸力學性能，分析CNT束直徑、表面結構、聚合物分子結構和分子鏈長等因素的影響，並實現數值模擬與實驗的相互印證；分析CNT束/聚合物複合纖維的巨觀力學行為與界面力學行為的關係，揭示聚合物浸潤對CNT纖維的增強機理。
結題摘要
碳納米管(CNT)束/聚合物複合纖維是CNT纖維經聚合物溶液浸潤處理形成的具有多層級結構的一維複合材料，關於 CNT 纖維及其複合材料的研究一直是國際前沿方向，了解 CNT 束/聚合物複合纖維的巨觀力學行為與微觀結構及界面的關係以及增強機理，對於 CNT 纖維及其複合材料未來發展和套用至關重要。主要研究內容包括：建立CNT纖維和聚合物的粗粒化分子動力學模型，模擬聚合物浸潤CNT纖維的過程，得到真實的CNT束/聚合物浸潤界面結構和複合纖維微觀網路結構；研究CNT纖維與聚合物間界面力學性能，發展界面的內聚力模型；計算CNT束/聚合物複合纖維的拉伸力學性能，分析CNT束直徑、表面結構、聚合物分子結構和分子鏈長等因素的影響，並實現數值模擬與實驗的相互印證；分析CNT束/聚合物複合纖維的巨觀力學行為與微觀結構的關係，揭示聚合物浸潤對CNT纖維的增強機理。重要結果包括：經過PVA浸潤處理後，CNT纖維的線彈性階段縮減，表明CNT束之間的載荷傳遞效率得到提高；複合纖維的拉伸模量為175GPa，相對於CNTF的30GPa提高了5.8倍。由於CNT/PVA複合纖維的線性階段和非線性階段縮短，材料較早的進入破壞階段；CNT束之間的載荷傳遞效率顯著提高，導致CNT拉伸破壞，而且在CNT纖維和複合纖維總能量隨施加應變的變化中，鍵伸長引起的能量變化都起到了最主要的作用。基於UTMT150測試系統開發的一種用於微滴包埋測試的實驗裝置；實驗測定了CNT 纖維與聚合物基體之間的界面結合強度，得到其界面強度約為4.06MPa，界面脫粘的載荷-位移曲線的斜率受微滴包埋面積和未包埋段纖維長度的影響，界面的最大脫粘載荷會隨著 CNT纖維被包埋段長度的增加而增加。而界面剪下強度只依賴於纖維增強體和聚合物基體的材料類型。本項目研究結果對於 CNT 纖維及其複合纖維的發展與其在人工肌肉、柔性感測器件以及驅動結構上具有理論參考價值與指導意義。
