[發明專利]碳納米管在復合材料中破壞模式的預測方法

有效

• 申請號: 202010113978.4
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111370077B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 徐世烺;李慶華;王曉冉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

本發明公開了一種碳納米管在復合材料中破壞模式的預測方法，本發明先后考慮碳納米管空心和彎曲的特征；工程和研究人員可以將碳納米管和基體的基本性能參數代入該方法，從而明確地判斷碳納米管在復合材料中的破壞模式，對復合材料的破壞進行有效地預判，可用于指導實驗和工程實踐。

技術領域

本發明涉及復合材料領域，具體涉及一種碳納米管在復合材料中破壞模式的預測方法。

背景技術

在纖維增強復合材料中，纖維作為增強增韌材料，破壞模式主要是拔出和拉斷。裂縫處的纖維錨固在裂縫兩邊的基體中，發揮橋聯作用，阻止裂縫的擴展。這時纖維與基體的粘結力與摩擦力抵抗碳納米管承受的拔出力。隨著外荷載的增大，裂縫進一步擴展，纖維承受的拔出力也增大，當拔出力大于粘結力時，纖維與基體脫粘，開始被拔出。在拔出的過程中，纖維與基體間仍存在摩擦力，摩擦力做功可以消耗外荷載的能量，增大基體的韌性，直至纖維完全被拔出。

另一方面，在纖維受拉的過程中，如果纖維自身的抗拉承載力小于粘結錨固力，則隨著拔出力的增大，拔出力會先大于纖維的抗拉承載力，將纖維拉斷，這時纖維的兩端仍錨固在基體中。其失效過程為：裂縫處的纖維先被拉伸，然后拉斷，最后從斷口處被拉出。以往的研究對纖維的以上兩種破壞模式進行了理論分析，給出了纖維破壞模式的判斷方法，但是普通纖維往往是筆直的實心圓柱，如玻璃纖維、鋼纖維、等等。

碳納米管(CNT)是理想的增強材料，近年來在復合材料領域受到了廣泛的關注和應用。碳納米管與普通纖維有很大差異：(1)碳納米管為空心圓柱；(2)比起普通纖維，碳納米管的抗彎強度非常小，一般情況下是彎曲存在于基體之中；(3)碳納米管的直徑非常小，為幾個納米到幾十納米，肉眼無法判斷其在復合材料中的破壞特征。以上三點是碳納米管在復合材料中不同于其他纖維的特點，也決定了它失效的過程與其他纖維有所不同，判斷方法也需要特別探討。隨著碳納米管在復合材料中應用范圍的提高，應當提出一種適用于碳納米管的失效方式的判斷方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種碳納米管在復合材料中破壞模式的預測方法。為此，本發明分別先后考慮碳納米管空心的特征和彎曲的特征，提出破壞模式的判斷方法。具體技術方案如下：

考慮碳納米管空心的情況：單根的多壁碳納米管可以簡化成一個空心圓柱管，錨固在水泥基體中，碳納米管在受拉過程中的模型示意圖如圖1。在碳管被拔出的過程中，碳管與基體的摩擦阻力F_f為：

F_f＝πDxτ_i (1)

碳管的抗拉承載力T為：

其中：D和d分別為碳管的外徑和內徑；

x為碳管在基體中的錨固長度；

τ_i為碳管和基體間的摩擦力；

σ為碳管自身的抗拉強度。

當拔出力F先達到摩擦阻力F_f時，碳管被拔出，當F先達到碳管抗拉承載力T時，碳管被拉斷。

應當注意，以上對于單根碳管失效模式的算例基于一些假定：(1)碳管是直的，(2)碳管表面光滑，無缺陷也無殘留催化劑。

進一步，考慮碳納米管彎曲的情況：碳納米管抗彎強度低，很柔軟。實驗證明大多碳納米管在基體中是彎曲存在的(如圖2)，可以發揮其“波浪形”優勢，錨定在基體中，其在基體中的模型如圖3(a)。取碳納米管在基體的出口處受力分析，當碳納米管與基體裂縫面的角度為θ，如圖3(b)，對拔出力F進行分解，有：

F_f＝Fsinθ (3)