IJAE 国际航空航天工程杂志》上 1687 - 5974 1687 - 5966 Hindawi 10.1155 / 2020/4873426 4873426 评论文章 问结构参数的影响在问和CNT-Reinforced环氧树脂的特性 https://orcid.org/0000 - 0001 - 7988 - 0191 Anvari 一个。 Viviani 安东尼奥 机械和航空航天工程 密苏里大学哥伦比亚分校 哥伦比亚 密苏里州 美国 missouri.edu 2020年 23 5 2020年 2020年 10 1 2020年 17 4 2020年 6 5 2020年 23 5 2020年 2020年 版权©2020 A。Anvari。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本研究的主要目的是审查和研究碳纳米管结构的影响碳纳米管和碳nanotube-reinforced环氧树脂的特性。碳纳米管和碳nanotube-reinforced环氧目前正在频繁使用在许多应用,如航空航天、汽车、电子行业由于其优良性能,如抗拉强度高、高杨氏模量、电和热导率。在这项研究中,应用的障碍介绍了碳纳米管作为矩阵中的纤维和讨论。此外,环氧树脂的特性和应用程序引用,和失败的机制碳nanotube-reinforced环氧和回顾了碳纳米管的几何图形。此外,使用实验数据和应用分析方法,碳纳米管直径的影响在碳层间剪应力nanotube-reinforced环氧界面被评估。此外,温度变化对层间剪切应力的值在单壁碳nanotube-reinforced环氧界面了。最后,六边形的数量单位的影响细胞交错的杨氏模量和扶手椅单壁碳纳米管已经被评估。

 密苏里大学 1。介绍

介绍了碳纳米管Lijima于1991年第一次( 1]。因为问的优良性能,如今,它的应用是广泛的在许多行业,如航空航天和汽车工业。碳纳米管有很大的机械性能,如拉伸强度高、高杨氏模量、高纵横比使问不同应用程序的最佳材料之一。此外,问高的导电性 2]。因此,最近,关于碳纳米管增强知识,一些研究进一步分析力学和森林合成CNT的已发表( 3- - - - - - 6]。

有许多方法来生产催化剂等碳纳米管阵列、化学汽相淀积,电弧放电,声化学,激光烧蚀和电解。重要的是要知道每种生产方法会导致不同的碳纳米管具有不同几何图形因为碳纳米管的直径和长度将与每一个不同的生产方法。问的不同几何图形可以影响其反应活性,破坏机理,表面相互作用,和机械性能。因此,似乎有不同的生产方法,具有不同属性的不同碳纳米管可以预期 2]。

尽管碳纳米管的力学性能,应用这种材料有一些障碍如荷载传递、色散和对齐。实现更高的层间剪切强度(测试)和碳纳米管之间的矩阵,高负载转移它们之间是必需的。第二个挑战应用碳纳米管在聚合物基质的问题问色散会导致问粒子的聚集在纳米复合材料。纳米复合材料中碳纳米管的聚集会导致这些凝聚区域应力集中导致脱胶和失败。第三个问题在应用碳纳米管是碳纳米管在聚合物的对齐,似乎并不很方便因为问可以约几个纳米大小的直径和几个微米的长度( 2]。

然而,问还广泛的应用在许多行业由于其多功能性能如热管理,提高刚度,改善韧性( 7]。有几种方法来分散碳纳米管在矩阵中,均匀。在这些方法中,最有效的是声波降解法的化学处理过程( 8]。

碳纳米管是碳的晶体形状。他们有一个高纵横比的大小直径几纳米,长度的大小通常是约几微米。此外,他们提供高灵活性和高的热导率。碳纳米管可以在形式的多壁碳纳米管(热合)和单壁碳纳米管(SWCNTs)。最好的材料来应用一个矩阵包含碳纳米管环氧树脂是一种热固性树脂。环氧树脂具有高腐蚀和耐化学性。此外,它提供了抗拉强度高,尺寸稳定性高和附着力。它可以应用在不同行业如航空、电子、航天和其他应用程序。结果,似乎问/环氧树脂的一个最合适的复合材料在不同的应用程序由于问和环氧聚合物的优良性能。唯一的问题是,开发一种方法来克服碳纳米管的分散、对齐和环氧树脂中的荷载传递。 The reason that CNTs tend to agglomerate is the van der Waals force between them. CNTs have high surface areas which can create high viscosity within the CNT/epoxy. This can result in bad uniformity of CNTs within the epoxy. For enhancing the load transfer between the CNTs and epoxy and improving the uniformity of CNTs within the epoxy, a method of CNT functionalization may be applied. The TEM images of functionalized or oxidized CNTs within the epoxy have shown that not only the dispersion of CNTs within the epoxy has improved but also interlocking between the CNTs and epoxy has increased which can result in higher load transfer between the CNTs and epoxy. This can result in higher ILSS within the interfaces between CNTs and epoxy which is beneficial in many applications [ 8]。

 2。问分散在环氧树脂

的扫描电子显微镜(SEM)图像合成CNT /环氧表明,应用等于和大于1ω。% CNT的碳纳米管/环氧树脂内的碳纳米管的聚集会导致更高的机会发展不均匀分散在环氧树脂的环氧树脂。原因是粘度的增加可以抑制均匀的碳纳米管在环氧树脂或导致非均匀分散 8]。

均匀分散的碳纳米管在环氧树脂具有高的意义,因为它可以提高抗弯强度。作为一个实例,比较1 wt。wt %原始碳纳米管和1。%功能化碳纳米管在环氧树脂中,研究结果可以开发77 MPa和104 MPa挠曲强度,分别,这证明了功能化碳纳米管可以开发更高的穿制服的CNT /环氧树脂纳米复合材料。挠曲强度的增强背后的原因似乎是由于发展中国家之间的共价键功能化碳纳米管与环氧树脂分子导致更高的纳米复合材料的弯曲强度 8]。

在图 1( 8],CNT /环氧树脂的断裂表面凝聚碳纳米管在环氧树脂(a, b)和功能化碳纳米管在环氧树脂。在数据 1(一)和 1 (b)( 8),断裂表面显示问的灾难性故障由于凝聚碳纳米管/环氧和这些凝聚的应力集中区域。凝聚碳纳米管的应力集中导致宏观裂纹形成和连续的裂纹扩展,发生故障。另一方面,在功能化CNT /环氧树脂(数据 1 (c)和 1 (d))[ 8],裂缝发展对碳纳米管和环氧树脂之间的界面和传播这些裂缝,问撤军时需要更多的精力和更高的负载相比原始问/环氧失败。裂缝形成的原因首先接口可能是由于形成的剪切应力在碳纳米管在生产过程中,或由于非均匀分散 8]。

断裂表面(a, b)凝聚功能化碳纳米管在环氧树脂(c - d)和一些问包含1 wt /环氧复合。%功能化碳纳米管( 8]。

 3所示。机械性能、几何图形和破坏机理

因为它一直在前面提到的,碳纳米管的发现发生在1991年。碳纳米管的发现后,应用开始增加由于独特而重要的特性,如高强度、高模量、高刚度和导电性。钢相比,这是一个最受欢迎的金属在不同的行业,碳纳米管提供更高的杨氏模量和抗拉强度。钢的杨氏模量约200 GPa,而碳纳米管的杨氏模量大约是1 TPa。钢的抗拉强度约为505 MPa,碳纳米管的抗拉强度是大约1163 GPa。此外,碳纳米管可用于其他应用程序(如能源存储设备,储氢媒体,和传感器( 9]。

碳纳米管是由石墨烯层与富勒烯形成圆筒帽滚。SWCNT只有一个石墨烯片虽然MWCNT几个石墨烯表翻滚彼此相同的轴。碳纳米管的几何形状可以在三种状态:1扶手椅,2曲折的,3手性。问厚度是0.34海里等于石墨烯片的厚度,但是问的长度和直径可以有所不同。在图 2( 9),三种不同几何形状的碳纳米管。

不同手性的碳纳米管。1扶手椅,2曲折的3手性( 9]。

为了调查问/环氧的破坏机理,在2016年,介绍了一种分析方法。这种方法问/环氧树脂的界面分为三个部分。第一部分是问的面积和环氧树脂完全保税和包含共价债券强劲强大的债券。第二个地区是区域的碳纳米管与环氧树脂部分保税。这意味着一些问和环氧树脂的原子或分子在这一领域并不保税。第三个区域是不存在粘接的表面碳纳米管与环氧树脂之间。根据这一分析,CNT-reinforced环氧树脂的界面接近问结束帽是最脆弱的地区和应力集中和裂纹萌生发生在这个地区。失败发生在界面后,环氧树脂也在该地区裂缝接近问的后盖。从环氧树脂裂纹断裂的路径是问帽(附近的故障位置 9]。

实验表明,添加0.25 wt。%纳米碳纤维(CNF)玻璃/环氧树脂可以增加抗剪强度和剪切模量至少18%和34%,分别为( 10]。疲劳预测领域的一种新的模型来预测疲劳寿命和刚度降低热塑性塑料充满二维纳米粒子已经由Shokrieh et al。 11]。最近的实验表明,添加0.25 wt。%问玻璃/环氧树脂可以提高平面剪切模量和强度11%和15%,分别为( 12]。此外,弯曲疲劳实验表明,添加0.25 wt。%石墨烯nanoplatelets环氧树脂可以提高弯曲疲劳寿命的27.4倍( 13]。

 4所示。MWCNT直径对层间剪应力的影响MWCNT /环氧树脂

这部分研究的重要目标是调查MWCNT直径对层间剪应力的影响(测试)MWCNT /环氧树脂(MWCNTE)。MWCNTE是目前正在使用的纳米复合材料在航空航天工业等许多应用程序由于其高强度和轻量级。在这项研究中,通过应用一个分析方法,利用实验数据,这是试图评估MWCNTE MWCNT直径对测试的影响。对于这个评价,两种热合选择不同的直径。之间的热膨胀系数不匹配热合和环氧树脂的温度范围5°C到70°C热合计算。最后,通过这一评估结果,测试这两个MWCNTE纳米复合材料进行了比较。结果表明,纳米复合材料包含MWCNT的小直径可以提供较低的测试。因为碳管可以制造不同的直径大小,这项研究的结果可以用于应用程序处理热周期或热应力与适当的直径选择合适的MWCNT环氧内最低的测试。

在许多行业,如航空航天和汽车、复合材料的应用已成为常见的( 14]。此外,在当前年,它一直试图利用纳米复合材料在许多行业 15]。为了制备纳米复合材料,纤维,纳米纤维。这些纳米纤维可以SWCNT MWCNT, triple-walled碳纳米管等。 16, 17]。提到的纳米纤维的应用而不是纤维有潜力提高纳米复合材料的强度。

结果在2018年提供了( 18),应用前面的热应力方程的形式( 19),已研制出的一种关系( 18)获得最大层间剪切应力(测试马克斯)在单向纤维/基复合材料(UFMC)。这个方程表示如下。 (1) ILSsmax = Δ α 一个 · 马克斯 · Δ T · Gmax 。

重要的是要注意,在方程( 1), Δ α Amax 等于最大值的“轴向热膨胀系数(CTE)环氧( α 环氧树脂 )-轴向CTE CNT的( α 问 )。这个关系表示如下。这个方程是有效的对任何UFMC包括SWCNTE和MWCNTE (2) Δ α 一个 马克斯 = α 环氧树脂 − α 问 。

因为 α 环氧树脂 是一个积极的价值和 α 问 在大多数情况下是一个负值,的数量 Δ α 通常会成为一个积极的价值,是显示在表 1。

1.4的ct -swcnt和环氧树脂之间的不匹配( Δ α )和测试的温度范围在1.4 -swcnte 5到85°C。

温度(°C) 1.4 -swcntec
Δ α (1 /oC e 5) 测试(MPa)
5 5。6 28.4
0 6.0 24.8
5 6.4 20.6
10 5。7 13.3
15 5。1 7.30
20. 4所示。8 2.60
25 4所示。6 1.70
30. 4所示。6 5.90
35 4所示。9 10.6
40 5。3 16.2
45 5。4 21.5
50 5。6 27.5
55 5。9 33.8
60 6.1 40.4
65年 6.2 46.6
70年 6.4 54.0
75年 6.6 61.6
80年 6.8 69.7
85年 6.9 76.9
平均 5。7 29.7

似乎通过增加纳米复合材料在不同行业的应用,分析为了获得这些纳米复合材料的力学性能受到不同的环境等空间环境是必需的。这个应用程序的实例是卫星绕地球旋转的结构。因为它在低地球轨道绕地球旋转,它穿过太阳照明,地球的阴影非常热(120°C)和冷(-175°C),分别为( 20.]。

因此,一个精确的热分析对纳米复合材料暴露于低温和极热似乎是必要的。热分析可以提供的测试数据来获得纳米复合材料。看来,随着测试的价值增加,纳米复合材料中的层间恶化的可能性增加。测试是高度成正比ct在纳米纤维和环氧树脂之间的不匹配矩阵。有许多研究相关研究对于许多纤维和环氧树脂材料的ct ( 21, 22]。然而,似乎没有研究关于MWCNTE MWCNT直径对测试的影响。

提出了研究的一部分,与方程(使用一种分析方法 1)和应用实验结果 16),试图探讨MWCNT直径MWCNTE测试的效果。这项研究的结果可能非常有利的选择最好的MWCNTE案件处理热循环和热应力。

4.1。实验程序

可纺织的MWCNT使用C数组是通过化学气相沉积2H2和FeCl2分别为基础材料和催化剂。碳管的直径测量使用透射电子显微镜(TEM, JEOL jem - 2100 f,日本)。部分固化的环氧树脂(环氧乙阶)发布的一篇论文被用作起始材料,环氧树脂组成bisphenol-A-type环氧,novolac-type环氧和芳香族二胺固化剂。那时的环氧树脂浸渍MWCNT铁板一块表在90°C之间的3分钟的钢板热压机(ah - 4015、日本)。剥离后的防粘纸MWCNT表与环氧树脂浸渍(预浸材料表)、半固化片表是治愈130°C的压力为1.5 h 1 MPa使用热压机,形成了一个电影标本( 16]。

 4.2。问题公式化

在表 2( 16环氧树脂),ct, 25 nm直径MWCNT (25-MWCNT)和41海里直径MWCNT的温度范围内(41-MWCNT) 5°C到70°C。根据方程( 1)、环氧之间的ct变化和MWCNTE中的MWCNT的原因之一是提高纳米复合材料内的测试。因此,在这项研究中,假设之间的ct变化较小的复合材料环氧树脂和MWCNT更高的测试。根据获得的结果在2018年( 18),降解UFMC内的测试可能是热疲劳失效的主要原因在这些纳米复合材料。看来一定要注意,关系( 1)的情况下可以应用纤维中嵌入矩阵。

ct的环氧树脂、25-MWCNT 41-MWCNT温度从5到70°C ( 16]。

1号 温度(°C) CTE (1 /oC e 5)
环氧树脂 25-MWCNT 41-MWCNT
1 5 4.60 -1.15 -2.00
2 0 4.95 -1.10 -1.80
3 5 5.30 -0.99 -1.60
4 10 4.60 -0.89 -1.43
5 15 4.00 -0.79 -1.30
6 20. 3.70 -0.70 -1.14
7 25 3.50 -0.61 -1.02
8 30. 3.53 -0.53 -0.93
9 35 3.80 -0.45 -0.85
10 40 4.15 -0.37 -0.80
11 45 4.30 -0.31 -0.76
12 50 4.50 -0.24 -0.75
13 55 4.70 -0.18 -0.75
14 60 4.90 -0.13 -0.78
15 65年 5.00 -0.08 -0.82
16 70年 5.20 -0.03 -0.90

在方程( 1), Δ T 是无温度之间的温度变化的CNT /环氧和环境温度。 G 马克斯 最大剪切模量之间的环氧树脂和问。

 4.3。结果与讨论

在介绍部分的手稿,热分析进行探讨MWCNTE MWCNT直径对测试的影响。为了评估这种效果,变异环氧之间的ct和25-MWCNT,环氧树脂和41-MWCNT 5°C到70°C的温度范围内计算并显示在表 3和数据所示 3和 4。根据表中的数据 3在温度5°C,和环氧树脂之间的不匹配的ct 25-MWCNT,和环氧树脂和41-MWCNT 6.29 e (1 / 5°C)和6.90 e 5 (1 /°C),分别。这些不匹配的ct MWCNTEs最高。这意味着根据方程( 1),在这个温度,测试可能的最大价值。这种现象可能导致更高的概率裂纹萌生和/或脱胶MWCNT和环氧树脂之间。这个温度是代表最高不匹配的ct MWCNT和环氧树脂之间可以命名为“临界温度”,因为在这个温度,裂纹萌生和/或传播的概率最高的价值。然而,重要的注意,对比两个MWCNTEs的测试是基于假设25-MWCNT和41-MWCNT剪切模量的值相同。

CTE 25-MWCNT和环氧树脂之间的差异和41-MWCNT和环氧树脂之间( Δ α )的温度范围5°C和70°C。

1号 温度(°C) Δ α (1 /oC e 5)
α 环氧树脂- - - - - - α 25-MWCNT α 环氧树脂- - - - - - α 41-MWCNT
1 5 5.75 6.60
2 0 6.05 6.75
3 5 6.29 ∗ 6.90 ∗
4 10 5.49 6.03
5 15 4.79 5.30
6 20. 4.40 4.84
7 25 4.11 4.52
8 30. 4.06 4.46
9 35 4.25 4.65
10 40 4.52 4.95
11 45 4.61 5.06
12 50 4.74 5.25
13 55 4.88 5.45
14 60 5.03 5.68
15 65年 5.08 5.82
16 70年 5.23 6.10

CTE 25-MWCNT和环氧树脂之间的差异( Δ α )的温度范围5°C到70°C。

CTE 41-MWCNT和环氧树脂之间的差异( Δ α )的温度范围5°C到70°C。

此外,通过分析表 3,可以得出结论,意味着和最大CTE 41-MWCNT和环氧树脂之间的变异高于25-MWCNT和环氧树脂。这意味着测试41-MWCNT和环氧树脂之间25-MWCNT和环氧树脂之间有可能会更高。由于更高的测试浓度在25-MWCNTE 41-MWCNTE界面相比,裂纹萌生和脱胶增加的风险在纳米纤维和环氧树脂界面。

 5。SWCNT直径对层间剪应力的影响SWCNT /环氧树脂

这部分研究的基本目的是调查SWCNT直径的影响测试SWCNT /环氧树脂(SWCNTE)。为此,三SWCNTs选择三种不同尺寸的直径。此外,之间的热膨胀系数差异SWCNT和环氧树脂三种不同直径大小的SWCNTs 5到85°C的温度范围内计算。此外,这三种纳米复合材料,测试在同一温度范围。最后,根据获得的结果,测试三个SWCNTEs进行了比较。结果表明,SWCNTE包含与SWCNT 13.6 nm直径可以提供更高的测试由于最小测试相比与其他两种纳米复合材料。原因是减少对SWCNTE内界面的应力集中,导致裂纹萌生,传播,脱胶SWCNTE接口。评估SWCNT和环氧树脂内的测试接口,相同的方法已在前一节中使用(部分 7)已被应用于本节。

提出了研究的一部分,通过分析方法和应用实验数据( 16),试图比较测试在三SWCNTEs每个包含SWCNT直径的大小不同。结果表明,SWCNTE随着SWCNT最大直径可能提供更高的测试与其他SWCNTEs相比。

5.1。实验程序

可纺织的SWCNT使用C数组是通过化学气相沉积2H2和FeCl2分别为基础材料和催化剂。SWCNTs的直径测量使用透射电子显微镜(TEM, JEOL jem - 2100 f,日本)。部分固化的环氧树脂(环氧乙阶)发布的一篇论文被用作起始材料,环氧树脂组成bisphenol-A-type环氧,novolac-type环氧和芳香族二胺固化剂。那时的环氧树脂浸渍SWCNT铁板一块表在90°C之间的3分钟的钢板热压机(ah - 4015、日本)。剥离后的防粘纸SWCNT表与环氧树脂浸渍(预浸材料表),治愈在130°C的半固化片表1.5 h 1 MPa的压力使用热压机,形成了一个电影标本( 16]。

 5.2。问题公式化

在这个手稿的一部分,该方法已应用于本文的前一节的测试评估MWCNTE一直用于SWCNTE。因此,方程( 1)已经被用来计算SWCNTE内的测试接口。

在表 4、ct和SWCNTs的剪切模量为1.4 (1.4 -swcnt), 7 (7-SWCNT)和13.6 nm直径(13.6 -swcnt)和环氧树脂的温度范围5到85°C。提出了数据表 4和使用方程( 1),在 结果与讨论手稿,测试SWCNTEs包含与SWCNTs三种不同直径进行了比较。

ct和剪切模量的1.4 -swcnt 7-SWCNT, 13.6 SWCNT,环氧树脂的温度范围5到85°C。

温度(°C) 1.4 -swcnt 7-SWCNT 13.6 -swcnt 环氧树脂
CTE (1 /oC e 5)( 16] 剪切模量(GPa) ( 17] CTE (1 /oC e 5)( 16] 剪切模量(GPa) ( 17] CTE (1 /oC e 5)( 16] 剪切模量(GPa) ( 17] CTE (1 /oC e 5)( 16] 剪切模量(GPa) ( 23]
5 -1.04 18 -0.74 5。2 -1.5 3.1 4.60 1.59
0 -1.05 18 -0.75 5。2 -1.5 3.1 4.95 1.59
5 -1.06 18 -0.76 5。2 -1.5 3.1 5.30 1.59
10 -1.07 18 -0.76 5。2 -1.6 3.1 4.60 1.59
15 -1.08 18 -0.77 5。2 -1.6 3.1 4.00 1.59
20. -1.10 18 -0.78 5。2 -1.6 3.1 3.70 1.59
25 -1.11 18 -0.78 5。2 -1.6 3.1 3.50 1.59
30. -1.12 18 -0.79 5。2 -1.7 3.1 3.53 1.59
35 -1.12 18 -0.79 5。2 -1.7 3.1 3.80 1.59
40 -1.13 18 -0.79 5。2 -1.7 3.1 4.15 1.59
45 -1.14 18 -0.80 5。2 -1.7 3.1 4.30 1.59
50 -1.15 18 -0.80 5。2 -1.7 3.1 4.50 1.59
55 -1.16 18 -0.80 5。2 -1.7 3.1 4.70 1.59
60 -1.16 18 -0.80 5。2 -1.7 3.1 4.90 1.59
65年 -1.17 18 -0.80 5。2 -1.8 3.1 5.00 1.59
70年 -1.18 18 -0.80 5。2 -1.8 3.1 5.20 1.59
75年 -1.18 18 -0.80 5。2 -1.8 3.1 5.40 1.59
80年 -1.19 18 -0.80 5。2 -1.8 3.1 5.60 1.59
85年 -1.19 18 -0.80 5。2 -1.8 3.1 5.70 1.59

不匹配的ct 7-SWCNT和环氧树脂( Δ α )和测试的温度范围在7-SWCNTE 5到85°C。

温度(°C) 7-SWCNTEC
Δ α (1 /oC e 5) 测试(MPa)
5 5。3 7.80
0 5。7 6.80
5 6.1 5.70
10 5。4 3.60
15 4所示。8 2.00
20. 4所示。5 0.70
25 4所示。3 0.50
30. 4所示。3 1.60
35 4所示。6 2.90
40 4所示。9 4.40
45 5。1 5.80
50 5。3 7.40
55 5。5 9.20
60 5。7 11.0
65年 5。8 12.7
70年 6.0 14.7
75年 6.2 16.8
80年 6.4 19.0
85年 6.5 21.0
平均 5。4 8.10
5.3。结果与讨论

在表中 1- - - - - - 6,所有的热分析的结果(方程( 1三个SWCNTEs表示)。此外,在数据 5- - - - - - 10,所有的结果采用方程( 1)和数据表 4所示。

13.6的ct -swcnt和环氧树脂之间的不匹配( Δ α ),测试的温度范围在13.6 -swcnte 5到85°C。

温度(°C) 13.6 -swcnte
Δ α (1 /oC e 5) 测试(MPa)
5 6.1 5.30
0 6.4 4.60
5 6.8 3.80
10 6.2 2.50
15 5。6 1.40
20. 5。3 0.50
25 5。1 0.30
30. 5。2 1.10
35 5。5 2.00
40 5。8 3.10
45 6.0 4.10
50 6.2 5.20
55 6.4 6.30
60 6.6 7.60
65年 6.8 8.90
70年 7.0 10.2
75年 7.2 11.6
80年 7.4 13.1
85年 7.5 14.4
平均 6.3 5.60

1.4的ct -swcnt和环氧树脂之间的不匹配( Δ α )的温度范围在1.4 -swcnte 5到85°C。

测试1.4的界面内-swcnt和环氧树脂的温度范围在1.4 -swcnte 5到85°C。

不匹配的ct 7-SWCNT和环氧树脂( Δ α )的温度范围在7-SWCNTE 5到85°C。

测试在7-SWCNT和环氧树脂之间的界面的温度范围在7-SWCNTE 5到85°C。

13.6的ct -swcnt和环氧树脂之间的不匹配( Δ α )的温度范围在13.6 -swcnte 5到85°C。

测试在13.6 -swcnt和环氧树脂之间的界面的温度范围在13.6 -swcnte 5到85°C。

根据以下结果,平均和最大差异13.6 -swcnt和环氧树脂之间的ct高于1.4 -swcnt和环氧树脂之间,和7-SWCNT和环氧树脂之间。另一方面,最大和平均在1.4 -swcnte测试中高于-swcnte 7-SWCNTE和13.6。根据这些结果,因为测试增加,测试减少,看来-swcnte测试13.6和1.4 -swcnte最高和最低,分别。因此,热循环数字7-SWCNTE的失败似乎是热循环之间的数字13.6 -swcnte和1.4 -swcnte失败。因此,似乎随着SWCNT的直径大小增加,增加测试。这些结果有助于选择最佳SWCNTE以防在环境处理热最大热疲劳寿命周期。

虽然CTE 13.6 -swcnt和环氧树脂之间的不匹配是高于1.4 -swcnt和环氧树脂之间,测试1.4 -swcnte高。原因是由于更高的剪切模量为1.4 -swcnt (GPa) 18日( 17]相比,13.6 -swcnt (GPa) 3.1 17),因为根据方程( 1),确定测试, Δ α 乘以 Δ T 和 G 。因此,因为 G 非常高1.4 -swcnt与13.6 -swcnt相比,测试是1.4 -swcnte更高,尽管它有一个低吗 Δ α 1.4 -swcnt和环氧树脂之间。

似乎更重要的恶化和脱胶纳米纤维和基体界面是由于纳米纤维和环氧树脂之间的相反的行为。这种反向行为是相反的结果SWCNT和环氧树脂之间的ct值,或MWCNT和环氧树脂。由于纳米纤维之间的相对价值的ct和矩阵,而MWCNTE或SWCNTE冷却对无温度,环氧树脂收缩而MWCNT或SWCNT是在轴向方向上扩张。另一方面,虽然MWCNTE或SWCNTE加热,环氧正在扩大,而MWCNT或SWCNT收缩。这种反向行为有可能诱发恶化和脱胶SWCNTE或MWCNTE纳米纤维和基体之间的界面。

SWCNTE和MWCNTE界面内的恶化可能导致裂纹萌生和/或在这些地区传播。的情况下处理热周期,这种反向行为之间的环氧树脂和MWCNT或SWCNT重复一遍又一遍。因此,更高的降解纳米纤维和基体之间的界面可以预期。

有关测试的剪切模量的影响,应该这里提到,在5°C到85°C,剪切模量将有一个恒定的值或大约一个常数值。因此,预计不会对测试的影响变分。

之前提到过,看来,测试越高,热疲劳寿命就越低。原因是更高的测试可以在纤维和基体界面造成应力集中。因此,它有可能诱发裂纹萌生,传播,在纤维和基体界面脱胶。

提出了研究的一部分,通过应用分析方法和使用实验数据 16],SWCNTE SWCNT直径对测试的影响的研究。为此,三SWCNTs三个尺寸的直径选择:SWCNTs 1.4, 7和13.6 nm直径。在分析测试的值对这些纳米复合材料与纳米纤维直径不同,它已经确定,1.4 -swcnte和13.6 -swcnte最高及最低的测试,分别。这意味着由于更少的测试和,因此,减少应力集中和裂纹扩展13.6 -swcnte,测试在这个纳米复合材料可以与其他两个纳米复合材料相比更高。基于这个过程的结果,看来,SWCNT直径越大,测试和热疲劳寿命就越高。

 6。曲折的结构参数对性能的影响和碳纳米管扶手椅

手性是一种结构参数有可能影响问属性。在曲折的SWCNT、手性角( θ )等于零,而在扶手椅SWCNT, θ 等于30o。如果 0 o < θ < 30. o ,SWCNT手性纳米管。手性的问不能影响其弹性区内strain-stress特征但在塑性区可以影响其特点。问结构内的碳原子之间的距离是0.142海里。根据报告结果从实验获得,曲折的问能够承受更高的拉伸应力沿管轴相比,扶手椅和手性碳纳米管( 24]。

曲折的,扶手椅和手性碳纳米管有1.0 TPa杨氏模量。此外,碳纳米管的最大抗拉强度等于0.10 TPa。此外,所有碳纳米管可以在轴向伸长应变高于0.2 ( 24]。

当SWCNTs接触机械负荷,失效模式可能以脆性断裂的形式。此外,虽然SWCNTs受到高温,其断裂阻力减少,显著。然而,在低温下,SWCNTs脆性断裂的形式可以失败。在应用中曲折的SWCNT,失败的机率脆性断裂的形式在低温下较高。进一步的分析表明,在曲折的脆性断裂的后果是SWCNT打破原子键之间的碳原子在一个短的时间。然而,长碳纳米管可能会表现出更高的断裂阻力时相比,短管( 25]。

调查表明,在问可能存在结构性缺陷形状的pentagon-heptagon碳原子单元。此外,曲折的SWCNTs都倾向于在高应变、低温度下骨折。此外,曲折的SWCNTs更容易骨折压缩应变下而不是拉伸应变。沿着曲折的高压缩应变SWCNT轴可能导致永久变形管轴向方向。在案件处理抗压疲劳,这些力量的永久变形可能导致重大损失,因此,屈曲沿着纳米管结构轴( 26]。

SWCNT直径一般在几纳米的范围和它的长度通常是大于一微米。SWCNTs采用手性识别向量。手性向量包含两个整数( n , 米 ),可以描述SWCNT手性。扶手椅纳米管, n 等于 米 曲折的纳米管, 米 等于零。所有其他的组合 n 和 米 描述一个手性SWCNT [ 27]。

密度泛函理论(DFT)和原子论的方法可以用来计算SWCNTs的杨氏模量。SWCNTs是由碳原子与六角保税模式。在SWCNT结构中,每个碳原子是连着三个碳原子 28]。

连续介质力学和分子动力学(MD)数值方法可以用来模拟问结构。非线性弹簧模型可以应用于模拟碳碳键在问结构。问几何代表一个框架就结构中,碳原子以共价键相连。碳原子之间的共价键可以模拟作为承重梁。问结构可以确定其杨氏模量的值。剪切模量的问会增加增加其手性角。此外,手性角增量的增加问抗拉和抗弯刚度 29日]。

问的直径和长度的大小会影响其弹性模的价值。SWCNT圆柱体在MWCNT之间的距离等于0.34海里。在MWCNT SWCNTs之间的交互是通过范德华力。碳纳米管失效的主要原因可能是由于屈曲压缩力。杨氏模量沿问轴的价值非常高,而整个问径向这个值很低。问可能不同的直径从1到100海里。问是良好的热导体沿其轴向轴。问是稳定到750°C在真空条件下空气和2800°C。由于高刚度的问,它可以用来制造防弹服装( 30.]。

6.1。层间剪切应力作为温度的函数

一节中 5中,已经证明,测试SWCNTE接口可以改变随着温度的变化。在周围温度环境温度,这个变化是较低的,因为它不能影响剪切模量的值和温度的变化是由于蚀变和CTE值SWCNT和环氧树脂。这些影响所示方程( 1)。然而,在极端高温和低温,温度的影响测试的价值高。原因是在非常高的和低的温度下,剪切模量的值可能会改变。此外,ct值的问和环氧树脂可以接受大量的改变。因此,一个高波动在测试可以预期的价值。

根据Kahaly已经取得的结果和2008年Waghmare 27),的CTE值(7,0)曲折的SWCNT可以增加多达900%从室温到1800 K。这些结果有助于计算测试作为温度的函数在曲折的SWCNTE接口。极高的温度存在于航天器的推进系统和外表面在返回地球。由于热分析( 27),CTE(7,0)曲折的SWCNT在轴向方向作为温度的函数( α T SWCNT ),在0和400 k之间,可以表达以下关系:

为 0 K ≤ T < 400年 K , (3) α T SWCNT = 3.75 e − 12 ∗ T 2 − 1.25 e − 9 ∗ T 。

此外, α T SWCNT 400和1800 k之间的温度可以表达以下关系:

为 400年 K ≤ T ≤ 1800年 K , (4) α T SWCNT = − 6.2 e − 13 ∗ T 2 + 2.006 e − 9 ∗ T − 6.032 e − 7 。

因此,替代的关系( 3)和( 4在方程() 1),( 5)和( 6),测试开发和如下所示。方程( 5)和( 6)可以表达的测试温度范围在0和400 k之间,分别为400和1800 k。 (5) 测试 T = G T SWCNT ∙ T − 296.15 ∙ α T 环氧树脂 − 3.75 e − 12 ∗ T 2 + 1.25 e − 9 ∗ T , (6) 测试 T = G T SWCNT ∙ T − 296.15 ∙ α T 环氧树脂 + 6.2 e − 13 ∗ T 2 − 2.006 e − 9 ∗ T + 6.032 e − 7 。

因为它是表示在方程( 5)和( 6),测试是温度的函数,因为巨大的温度波动可以改变的ct值(7,0)曲折的SWCNT,和环氧树脂。此外,温度变化大,SWCNT剪切模量的值, G T SWCNT ,将会改变。因此,所有的参数方程( 5)和( 6)是依赖于温度的。请注意温度 T 在方程( 5)和( 6)是根据开尔文单元,温度在方程(296.15 5)和( 6基于开尔文)是环境温度单位。此外, α T 环氧树脂 是环氧CTE作为温度的函数。

 6.2。上的六边形单元细胞数量的影响SWCNT杨氏模量

的目的SWCNT内的单位细胞的概念分类不同的纳米管的对称性。单位细胞被定义为一个SWCNT部分向量的构成特征和描述的螺旋对称SWCNT [ 31日]。在图 2( 9),这说明SWCNTs六边形组成。节点SWCNT结构内的六边形碳原子和碳原子之间的线代表它们之间的共价键。因为它是图所示 2( 9),每个碳原子连接到三个碳原子以共价键。在这部分的研究目的是调查的影响上的六边形单元细胞数量SWCNT轴向杨氏模量。

为研究单元的六边形细胞的影响SWCNT轴向杨氏模量,使用下面的关系, d 碳纳米管直径, l B = 0.142 纳米 ,碳原子之间的原子间距离的长度, n 和 米 是手性向量指标,肾小球囊性肾病是最大公约数的缩写,然后呢 N 是六边形的数量在单位内细胞(SWCNT结构 31日]。 (7) d = 一个 π n 2 + n 米 + 米 2 1 2 , 在曲折的SWCNT, 米 = 0 作为一个结果 (8) d = 一个 π n 。

此外,对于任何SWCNT, (9) 一个 = 3 ∗ l (10) d R = 肾小球囊性肾病 2 n + 米 , 2 米 + n 。

在曲折的SWCNT, 米 = 0 因此, (11) 博士 = 肾小球囊性肾病 2 n , n , 对于任何SWCNT (12) N = 2 n 2 + 米 2 + n 米 博士 。

在曲折的SWCNT, m = 0,因此, (13) N = 2 n 2 博士 。

与使用的关系( 7)( 13)[ 31日),六边形的数量单位细胞的曲折的扶手椅SWCNTs计算和显示在下表中。的轴向杨氏模量(12,0),(15 0),(18岁,0)、(12)、(15、15),(18岁,18)SWCNTs由Zakeri派生,Shayanmehr 2013年( 29日]。此外,轴向杨氏模量(28岁,0)和(35岁,0)SWCNTs派生Lu和巴塔查里亚在2006年( 25]。因此,计算后的六边形单元细胞内的SWCNTs上面所提到的,六边形的数量单位的影响细胞锯齿形的轴向杨氏模量和扶手椅SWCNTs是显示在表中 7和 8和数字 11和 12,分别。

直径,单位的六边形细胞和轴交错SWCNTs的杨氏模量。

不。 类型的曲折的SWCNT 直径(nm) 单位的六边形细胞(N) SWCNT轴向杨氏模量(TPa)
1 (12,0) 0.94 24 0.9700 [ 29日]
2 (15日0) 1.17 30. 1.0030 [ 29日]
3 0(18日) 1.41 36 0.9997 [ 29日]
4 (28日0) 2.19 56 1.1550 [ 25]
5 (35岁,0) 2.74 70年 1.1750 [ 25]

直径,单位的六边形细胞和轴向扶手椅SWCNTs的杨氏模量。

不。 类型的扶手椅SWCNT 直径(nm) 单位的六边形细胞(N) SWCNT轴向杨氏模量(TPa) [ 29日]
1 12(12日) 1.627 24 0.9300
2 15 (15) 2.034 30. 0.9980
3 (18岁,18) 2.441 36 1.0003

六边形的数量单位的影响细胞在曲折的SWCNT轴向杨氏模量。

六边形的数量单位的影响细胞在扶手椅SWCNT轴向杨氏模量。

 7所示。摘要和结论

问相关的研究主题、环氧和CNT /环氧树脂非常广泛,而在这项研究中,只有最重要的话题已经覆盖。似乎话题相关的力学性能和破坏机制是最重要的主题在这项研究中,此外,它一直在试图掩盖。

热分析的结果部分 4和 5表明随着MWCNT的直径增加,测试值在MWCNTE界面增加。另一方面,随着SWCNT直径的增加,内部测试SWCNTE接口减少。结果部分 6.1表明测试在SWCNTE可以随着温度的变化而变化。因此,测试是温度的函数。此外,根据获得的结果部分 6.2,通过增加的六边形单元细胞,轴向的杨氏模量和曲折的扶手椅SWCNTs会增加。此外,轴向杨氏模量的增量曲折的SWCNT已经是一个近似的线性关系增加了单位的六边形细胞数量。

 数据可用性

数据已被用来写这手稿提供了从下面的列表引用。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

资金的一部分这一研究提供了教授(Sanjeev卡纳,教员的机械和航空航天工程部门在密苏里大学哥伦比亚分校。因此,我要感谢他的支持。

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