文摘

基于多尺度方法对碳纳米管的接口和机械行为α氧化铝进行了分析。纳米管之间的应力传递和氧化铝是由范德瓦耳斯相互作用。使用一致的法律正常应力剪切应力和位移之间的关系研究,以及应力强度。界面的应力分布是通过改进COX模型。nanotube-composite的应变速率提出了界面滑移发生时通过范德华相互作用。

1。介绍

计算材料科学的主要目的是快速、准确的预测性能的新材料在他们的开发和生产。为了发展新材料和复合材料设计的新属性,至关重要的是,这些属性可以预测前准备、加工、表征。

近年来,一个新的领域的改善陶瓷脆性已经打开了利用短纤维为强化,也有越来越多的实验和理论研究出版的增韧效果通过使用碳纳米管(碳纳米管)作为陶瓷强化(1- - - - - -4]。然而,碳纳米管不债券陶瓷,和它们的相互作用由于范德华力,也就是比共价键弱得多。这导致滑动的碳纳米管在复合材料进行加载。

纳米复合材料具有大量的接口由于体积小增援。界面行为可以显著影响纳米复合材料的力学性能。Chowdhury和冈5]研究了界面的力学行为的碳纳米管和聚合物通过使用分子动力学方法有化学交叉连接。陈等人。6]分析了失效模式和设计最优碳nanotube-reinforced复合材料的韧性有化学键的接口。刘等人。7使用拉拔力模型,基于范德华和静电相互作用,数值研究了碳纳米管的界面力学行为和氧化铝,但这种方法是有限的时间和空间尺度上的,只能用于解决界面力学行为的一部分。

两蒋et al。8,9和陆等。10,11)建立了非线性粘性法律问/聚合物界面直接从Lennard-Jones范德华相互作用潜力。陈等人。12)使用COX模型分析碳纳米管增强铝氧化物纳米复合材料的界面特征。肖和张13]分析了压力传输效率的单壁碳纳米管在环氧矩阵和体现,一个小管直径有一个更有效的强化和存在一个最优管长度的钢筋是最大化的,还有一个更大的压力传输效率与固体纤维。

本文提供了一个微观力学模型来预测多层碳纳米管的界面行为(热合)和晶格结构氧化铝由于碳管纳米复合材料被广泛用作增援。和一个碳原子之间的范德华相互作用氧化铝₂单位,以及一对碳原子之间。MWCNT半径的影响被忽视建立有凝聚力和多层平行石墨烯之间的法律氧化铝基于范德华相互作用。获得的应力分布和应力强度改善COX模型。从粘性低和COX模型,给出nanotube-composite的应变率时,界面滑移开始通过范德华相互作用发生。

2。SWCNTs和矩阵之间的应力传递效率

硬脆材料的强化,如氧化铝、和碳纳米管之间的弱连接界面的影响氧化铝扮演重要的角色。一般来说,原子和碳纳米管之间的相互作用氧化铝是由远程潜力,如Lenard-Jones潜力,如下: 在哪里是势能,当两个原子的距离是什么,是平衡的原子之间的距离,然后呢的键能平衡距离。

水晶细胞结构氧化铝图所示1(一);的值和得到;和可以实现从,分别。的晶体结构氧化铝是分成两部分,氧原子集群和铝原子集群,如图1 (b),然后我们可以分析粘性模型,分别。

使用RVE如图2(一),建立不同的模型来自nonboundary接口,数字2(b)和边界界面,图2分别(c);内聚能代表通过范德华力。

nonboundary接口,

边界接口的内聚能通过CNT的条带区域。

鉴于搭接长度。

考虑

忽略了高阶不确定小的价值(3),(2)和(3)有相同的平衡间距的结果,可以给出 如果一个位移(,),(2)和(3)改变

的偏导数很容易推断(5)和(6),分别。nonboundary的法向应力和边界接口给出

nonboundary界面的剪切应力是0。对于边界接口,给出焊接区域的剪切力 所以的平均剪切应力边界接口给出 在哪里和= 0.142海里。和是铝的体积密度和氧原子数量的氧化铝,分别为(14]。,(15),,(16]。

碳纳米管的界面和氧化铝的粘性应力是通过替换上述参数为(7)和(9),分别。对短纤维增强,只有一个自由边生产每一个问的,应该和材料可以是无限的设在。剪切应力的实用价值只有1/2的结果(9)。

从数据3和4,我们可以发现,碳纳米管和氧化铝材料的正常应力强度240 MPa,边界区域的平均剪切力约为27.5 MPa·nm,粘性剪切力集中在碳纳米管的目的。的正常和剪切应力强度由范德华力提供的接口可通过上述分析。

3所示。碳纳米管的应力分布和氧化铝剪滞模型

RVE取自纳米复合材料。考虑一个完美的界面粘结,COX模型改变了SWCNTs的空心,如图5。碳纳米管的压力管长度和界面的剪切应力如下: 在哪里是应变沿问的长度,是问的长度,基质材料的剪切模量,是问的杨氏模量,RVE的半径,横截面积,该值为2.8413 nm²的参数,,。上面的公式将减少到原始COX模型的价值是零。

在接下来的计算,我们,,,这是氧化铝材料的极限应变(17),而从,在那里碳纳米管在复合材料的体积含量。碳纳米管的厚度,在哪里。

图6显示了拉伸应力分布在各管的长度。有一个最大值长度超过30 nm时,和价值存在于碳纳米管的中间。碳纳米管和铝之间的界面的剪切应力集中在碳纳米管的结束。材料的应变率条件下达到极限应变,碳纳米管的胡子的剪切应力是大约0.06绩点。结束的剪切应力分布并不影响碳纳米管的长度(如图7)。

为了比较范德华力的最大值可以负担得起,我们做一个积分的剪切应力焊接区沿管长度如下: 然后

方程(14)表明,完美的界面粘结剪应力比这更无法提供通过范德华力,并出现了下滑。所以提供的极限应力范德华力被定义为静态应力极限。

替换的结果到(13),我们可以获得一个模拟的结果(11)和(13);纳米复合材料的应变极限了如下:

碳纳米管的拉应力和剪应力的接口数据所示8和9当应变速率小于0.0091%。

图10显示了碳纳米管的体积含量和拉应力之间的关系。图10 ()表明,拉伸应力随半径的增加碳纳米管的体积含量是恒定的。图10 (b)表明,最大拉应力值时可以实现碳纳米管的长度比的有效长度长。

4所示。结论

基于多尺度方法,CNTs-alumina复合材料的界面力学行为进行了分析。讨论了界面应力,利用粘性定律,这是通过使用SWCNTs的晶格和改革氧化铝。基于范德华力,最大正常和剪切应力分别实现。拉伸和剪切应力分布是通过使用改进的COX模型。给一个完美的界面粘结和足够长的时间管,有一个最大值(0.68 GPa)下的拉应力最大应变矩阵可以(0.686%)。的最大剪应力值存在于碳纳米管的结束。粘结剪应力的积分区域沿管长度,相比之下,范德华力提供的剪切应力。结果表明,范德瓦耳斯相互作用提供的极限应力应变率时达到0.0091%,和界面滑移开始发生。简单的分析作为基础,调节合适的交互,从而适应不同的情况。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金会通过拨款11271234和科学项目通过授予J13LJ51山东省级教育部门。