碳納米管纖維的動態力學性能及其溫度相關性研究

《碳納米管纖維的動態力學性能及其溫度相關性研究》是依託中國科學技術大學，由王鵬飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管纖維的動態力學性能及其溫度相關性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王鵬飛
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

碳納米管纖維是將納米尺度的碳納米管通過特定的方式裝配而成的具微米尺度的新型纖維材料，其較高的強度和能量吸收等性能使其成為新材料研究的熱點，但目前碳納米管纖維主要集中於準靜態力學性能方面的研究。本項目試圖發展細觀尺度的單根纖維動態拉伸實驗技術來研究碳納米管纖維的動態力學性能及其溫度依賴性，以相關準靜態實驗為參考，從實驗方面揭示碳納米管纖維的應變率效應與溫度效應，並闡明碳納米管纖維的變形與失效機理，由此理論發展基於螺旋結構的微力學模型來探討細觀尺度下碳納米管纖維的率效應的作用機制。溫度作用下碳納米管纖維的靜動態力學性能的研究目前尚未見諸報導，此研究對於指導新型碳納米管結構材料的設計和套用，具有十分重要的基礎科學研究意義。

結題摘要

碳納米管纖維是一種新型的高性能纖維，可以作為複合材料的組成部分，在航空工業、安全防護和電子器件等領域具有潛在的套用前景。而在套用過程中不可避免會遭遇跌落和外界撞擊等高速載入的情況以及高溫等熱環境的影響，因此，探討碳納米管纖維在較高溫度下的靜、動態力學性能也是十分必要的。此項目發展細觀尺度單根纖維在動態載入下的實驗測試技術、纖維高溫力學性能實驗測試技術以及掃描電鏡原位拉伸測試技術，結合數值模擬與理論研究了單根碳納米管纖維動態力學變形與失效性能的應變率相關性以及溫度效應。結果表明，碳納米管纖維的強度隨捻角的增加存在逐漸提高並降低的趨勢，在捻角為20度時存在一個最優的強度值，在提供較高強度捻角的同時，也具備較好的數據重複性；隨著捻角的增加，失效應變逐漸增加，其強度的應變率效應越顯著；纖維的失效具有較強的界面內聚力相關性；與此同時，纖維的力學性能隨著溫度的升高而降低。此工作揭示了碳納米管纖維與溫度以及應變率相關的韌/脆轉化機理，闡明了捻角對碳納米管纖維應變率效應的作用的粘性機制，由此理論發展的微尺度模型和本構方程，可用來指導新型碳納米管纖維的設計，促進其在航空工業、安全防護和電子等領域的套用。本項目發展的單根纖維的力學性能測試系列，為揭示細觀尺度材料的動態力學性能提供了新的思路。