納米復合材料中增強相與典型缺陷干涉機理研究.pdf

1、隨著納米技術的出現和不斷發(fā)展，納米復合材料表現出了很多優(yōu)異的性能，被廣泛應用于機械、微電子、光學、化工、醫(yī)藥等眾多領域。然而由于納米復合材料本身微觀結構的復雜性，造成在材料宏觀力學性能與微觀結構的定量關系上缺乏全面系統(tǒng)的研究，直接阻礙著納米復合材料的進一步發(fā)展和應用。因此，建立定量模型研究納米復合材料中納米增強相與各種缺陷干涉的新機理是當前十分重要和迫切的任務。
　　本文以納米復合材料為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了其中的納米增強相與

2、位錯、向錯、裂紋等各類缺陷的相互干涉效應及其與材料強度和斷裂韌度的關系?；趯嶒炗^測現象，建立了相關的力學模型，綜合運用彈性復勢方法和連續(xù)位錯模型法，得到了系列復雜微觀結構問題的精確解答。通過數值結果系統(tǒng)地討論了夾雜半徑、夾雜分布、位錯位置、裂紋長度、涂層厚度、材料彈性失配以及界面應力等因素對位錯力、位錯平衡位置、裂紋尖端應力強度因子、能量釋放率等的影響規(guī)律。本文不僅豐富和發(fā)展了彈性理論的復勢方法，還可以為納米復合材料的優(yōu)化設計提供科學

3、依據。主要研究成果如下:
　　(1)采用表/界面應力模型，研究了納米線環(huán)形涂層中螺型位錯偶極子與納米線的干涉效應。運用彈性復勢方法，獲得了納米線和涂層兩個區(qū)域復勢函數的精確表達式以及作用在螺型位錯上像力的解析表達式。詳細分析了納米線尺寸、涂層厚度、材料彈性失配以及界面應力等對納米線涂層中螺型位錯偶極子運動和平衡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究發(fā)現，考慮界面應力后，界面發(fā)生了局部的硬化和軟化，使硬納米線可以吸引位錯偶極子，而軟納米線可以排斥位

4、錯偶極子。納米線的半徑越小，界面應力對位錯力的影響越大。當納米線的半徑較小時，位錯力對半徑的尺度依賴效應非常明顯，相反，當納米線半徑較大時，界面應力的影響可以忽略不計。另外，界面應力不僅可以改變涂層中螺型位錯偶極子的平衡點數量，還可以改變臨界涂層厚度。
　　(2)利用連續(xù)位錯模型法，研究了在外力作用下夾雜和刃型位錯同時存在時對有限長裂紋擴展的影響規(guī)律。通過數值求解柯西型奇異積分方程，獲得了裂紋尖端的應力強度因子。詳細討論了材料彈性

5、失配、刃型位錯位置以及夾雜半徑對裂紋尖端應力強度因子的影響規(guī)律。研究發(fā)現，隨著刃型位錯位置的變化，刃型位錯有可能屏蔽或者反屏蔽裂紋尖端，并且刃型位錯離裂紋尖端越近，刃型位錯的影響越大。不同于在外力作用下的情形，在刃型位錯作用下，隨著刃型位錯位置的變化，軟夾雜和硬夾雜都有可能屏蔽或者反屏蔽裂紋尖端，而且刃型位錯離夾雜越近，夾雜對裂紋尖端應力強度因子的影響越大。在單軸拉伸加載下，硬夾雜屏蔽裂紋尖端，軟夾雜反屏蔽裂紋尖端，夾雜和刃型位錯對裂紋

6、擴展的影響存在競爭關系。當刃型位錯和裂紋之間的距離小于一定值時，刃型位錯是影響裂紋擴展更重要的因素。當刃型位錯與裂紋之間的距離等于一定值時，刃型位錯和夾雜抵消彼此的影響。當刃型位錯與裂紋之間的距離大于一定值時，夾雜對裂紋擴展的影響占主導地位。
　　(3)利用表/界面應力模型，研究了在拉伸加載下納米夾雜內部裂紋的擴展問題。運用連續(xù)位錯模型法，獲得了裂紋尖端的應力強度因子。揭示了界面應力、材料彈性失配、裂紋長度以及納米夾雜半徑對裂紋尖

7、端應力強度因子的影響規(guī)律。結果表明，在單軸拉伸加載下，正（負）的界面殘余應力和正（負）的界面彈性常數都減?。ㄔ龃螅┝鸭y尖端的應力強度因子。在正（負）界面殘余應力的作用下，硬基體增大（減?。┝鸭y尖端的應力強度因子，而軟基體減?。ㄔ龃螅┝鸭y尖端的應力強度因子。隨著裂紋尖端趨近于界面，納米夾雜和基體之間彈性失配的影響增強，界面應力的影響同樣增強。隨著納米夾雜半徑的減小，界面殘余應力和界面彈性常數對裂紋尖端應力強度因子的影響增大。在正界面殘余應

8、力作用下，當半徑減小到一定值時，即使存在外力，裂紋也不會擴展。
　　(4)通過運用楔形向錯四極子模型來模擬孿晶，研究了納米復合材料中納米夾雜對孿晶和晶界交叉處裂紋形核和Zener裂紋擴展的影響規(guī)律。納米夾雜和基體的界面條件通過引入界面應力進行修正。詳細探討了納米夾雜剪切模量，半徑、位置、界面應力和外力等對納米裂紋形核和Zener裂紋擴展的影響規(guī)律。研究發(fā)現，在外力作用下，硬的納米夾雜抑制納米裂紋的形核和Zener裂紋的擴展，而軟的