納米復(fù)合材料力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、納米材料的研究是現(xiàn)在的熱門研究方向,如對納米管和納米金屬等的研究。由于納米材料的尺寸達(dá)到納米級,常常會表現(xiàn)出大尺寸材料不具有的性能。碳納米管作為一維納米材料由于具有層狀中空、完美的六邊形連接以及長徑比很大等獨(dú)特的結(jié)構(gòu),所以具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能,因此引起了學(xué)術(shù)界和工藝界的廣泛興趣和關(guān)注。隨著Ajayan等在1994年將碳納米管加入到聚合物中制備聚合物復(fù)合材料以來,碳納米管的化學(xué)改性以及碳納米管與聚合物的復(fù)合等問題引起了人們

2、廣泛的關(guān)注,這也要求對其進(jìn)行更深入的研究。
　　 本文分別以功能化碳納米管、其復(fù)合材料以及含鍍層石墨/銅材料為研究對象,采用分子動力學(xué)方法,對其力學(xué)性能進(jìn)行模擬計(jì)算。主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)研究不同功能化碳納米管的拉伸和壓縮性能。通過對不同密度、不同種類以及不同構(gòu)型功能化碳納米管拉伸過程的數(shù)值模擬,分析了這些參數(shù)對碳納米管力學(xué)性能的影響;通過對不同構(gòu)型功能化碳納米管壓縮過程的數(shù)值模擬,分析了構(gòu)型對材料的屈曲模態(tài)和

3、臨界屈曲應(yīng)變的影響規(guī)律?？偨Y(jié)幾種不同構(gòu)型功能化碳納米管,可以發(fā)現(xiàn)功能化原子越集中,材料性能越好。
　　 (2)采用分子動力學(xué)方法,對功能化碳納米管增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的拉伸過程和碳納米管的拔出過程進(jìn)行了模擬,分析了復(fù)合材料的整體性能和界面性能。得到如下結(jié)論:功能化對復(fù)合材料的楊氏模量影響不大,但是材料的最大應(yīng)力明顯降低,功能化原子越集中,復(fù)合材料性能也越好;通過對碳納米管拔出過程的模擬,發(fā)現(xiàn)與功能化原子相連的碳納米管原子的軸向力較

4、大,并且功能化明顯增強(qiáng)了復(fù)合材料界面粘合作用,尤其是功能化原子集中的模型,界面剪切應(yīng)力提高了20％左右。最后對比了對碳納米管整體施加位移和端部施加位移兩種模擬對結(jié)果的影響。
　　 (3)研究了鍍層石墨/銅的界面性能。通過對石墨施加外載荷力分別模擬了鍍銅石墨/銅和鍍鎳石墨/銅兩種材料,得到模型中各個(gè)部分的能量以及各個(gè)界面的剪切應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)鍍鎳材料中石墨的界面剪切應(yīng)力比鍍銅大,并且在模擬中鍍鎳材料的能量變化明顯,說明鎳與石墨結(jié)合較好。