碳納米管網路力學性能的理論計算研究及最佳化

《碳納米管網路力學性能的理論計算研究及最佳化》是依託北京航空航天大學，由陳玉麗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管網路力學性能的理論計算研究及最佳化
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：陳玉麗
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

研究者一直在探尋如何將碳納米管在納米尺度的優良性能傳遞到巨觀材料，最近的研究顯示碳納米管網路很可能是一種有效的組織形式，因此備受關注。然而，目前對這種網路結構的研究大多集中在實驗嘗試，尚缺乏理論的指導。為了通過網路結構設計使碳納米管網路更好地繼承碳納米管的優異性能，本項目將針對工程實際中常見的有基體和無基體兩種碳納米管網路，綜合考慮管間作用、基體、界面、碳納米管的幾何特徵等因素對網路結構巨觀性能的影響，發展適合於碳納米管網路的細觀力學模型對其力學性能進行最佳化；並建立有效的多級/多尺度計算平台定量研究各種微觀特徵參量影響下的碳納米管網路的性能和行為。此外，還將進行部分實驗來檢驗和支持理論和計算方法，通過相互之間的不斷反饋，實現碳納米管網路的結構最佳化，從而給出對巨觀碳納米管材料設計和製備的指導性建議，加速碳納米管材料的套用開發。本項目所得到的理論和計算方法亦可拓展用於其它纖維網路的結構最佳化。

結題摘要

研究者一直在探尋如何將碳納米管在納米尺度的優良性能傳遞到巨觀材料，最近的研究顯示碳納米管網路很可能是一種有效的組織形式，因此備受關注。然而，目前對這種網路結構的研究大多集中在實驗嘗試，尚缺乏理論的指導。為了通過網路結構設計使碳納米管網路更好地繼承碳納米管的優異性能，本項目針對工程實際中常見的有基體和無基體兩種碳納米管網路，綜合考慮管間作用、基體、界面、碳納米管的幾何特徵等因素對網路結構巨觀性能的影響，發展了適合於碳納米管網路的細觀力學模型對其力學性能進行最佳化；並建立了有效的多級/多尺度計算平台定量研究各種微觀特徵參量影響下的碳納米管網路的性能和行為。對於無基體的隨機分布碳納米管網路，揭示了其剛度閾值和彎-拉轉變閾值的存在，並通過穩定率和缺陷率揭示了上述閾值的機理，進而建立了預測整體網路剛度的解析表達式，該表達式表明，碳納米管網路的相對剛度僅與其相對密度及碳納米管的長細比有關。對於有基體的碳納米管網路，即碳納米管複合材料，研究了碳納米管本身的幾何參數對整體複合材料力學性能的影響，發現對於直徑為納米尺度的纖維類複合材料，並不一定越細越好。最優的碳納米管直徑可由碳納米管、基體和界面的參數解析地給出。本項目的研究提供了對巨觀碳納米管材料設計和製備的指導性建議，有助於加速碳納米管材料的套用開發。本項目所得到的理論和計算方法亦可拓展用於其它纖維網路的結構最佳化。