CN111370077A - 碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，本发明先后考虑碳纳米管空心和弯曲的特征；工程和研究人员可以将碳纳米管和基体的基本性能参数代入该方法，从而明确地判断碳纳米管在复合材料中的破坏模式，对复合材料的破坏进行有效地预判，可用于指导实验和工程实践。

Description

碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法。

背景技术

在纤维增强复合材料中，纤维作为增强增韧材料，破坏模式主要是拔出和拉断。裂缝处的纤维锚固在裂缝两边的基体中，发挥桥联作用，阻止裂缝的扩展。这时纤维与基体的粘结力与摩擦力抵抗碳纳米管承受的拔出力。随着外荷载的增大，裂缝进一步扩展，纤维承受的拔出力也增大，当拔出力大于粘结力时，纤维与基体脱粘，开始被拔出。在拔出的过程中，纤维与基体间仍存在摩擦力，摩擦力做功可以消耗外荷载的能量，增大基体的韧性，直至纤维完全被拔出。

另一方面，在纤维受拉的过程中，如果纤维自身的抗拉承载力小于粘结锚固力，则随着拔出力的增大，拔出力会先大于纤维的抗拉承载力，将纤维拉断，这时纤维的两端仍锚固在基体中。其失效过程为：裂缝处的纤维先被拉伸，然后拉断，最后从断口处被拉出。以往的研究对纤维的以上两种破坏模式进行了理论分析，给出了纤维破坏模式的判断方法，但是普通纤维往往是笔直的实心圆柱，如玻璃纤维、钢纤维、等等。

碳纳米管(CNT)是理想的增强材料，近年来在复合材料领域受到了广泛的关注和应用。碳纳米管与普通纤维有很大差异：(1)碳纳米管为空心圆柱；(2)比起普通纤维，碳纳米管的抗弯强度非常小，一般情况下是弯曲存在于基体之中；(3)碳纳米管的直径非常小，为几个纳米到几十纳米，肉眼无法判断其在复合材料中的破坏特征。以上三点是碳纳米管在复合材料中不同于其他纤维的特点，也决定了它失效的过程与其他纤维有所不同，判断方法也需要特别探讨。随着碳纳米管在复合材料中应用范围的提高，应当提出一种适用于碳纳米管的失效方式的判断方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法。为此，本发明分别先后考虑碳纳米管空心的特征和弯曲的特征，提出破坏模式的判断方法。具体技术方案如下：

考虑碳纳米管空心的情况：单根的多壁碳纳米管可以简化成一个空心圆柱管，锚固在水泥基体中，碳纳米管在受拉过程中的模型示意图如图1。在碳管被拔出的过程中，碳管与基体的摩擦阻力F_f为：

F_f＝πDxτ_i (1)

碳管的抗拉承载力T为：

其中：D和d分别为碳管的外径和内径；

x为碳管在基体中的锚固长度；

τ_i为碳管和基体间的摩擦力；

σ为碳管自身的抗拉强度。

当拔出力F先达到摩擦阻力F_f时，碳管被拔出，当F先达到碳管抗拉承载力T时，碳管被拉断。

应当注意，以上对于单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，无缺陷也无残留催化剂。

进一步，考虑碳纳米管弯曲的情况：碳纳米管抗弯强度低，很柔软。实验证明大多碳纳米管在基体中是弯曲存在的(如图2)，可以发挥其“波浪形”优势，锚定在基体中，其在基体中的模型如图3(a)。取碳纳米管在基体的出口处受力分析，当碳纳米管与基体裂缝面的角度为θ，如图3(b)，对拔出力F进行分解，有：

F_f＝Fsinθ (3)

当拔出力F先达到F_f/sinθ时，碳管被拔出，当F先达到碳管抗拉承载力T时，碳管被拉断。

此处应注意，由于碳纳米管的随机乱向分布，θ的取值在0-90°间随机分布，为宏观预测某种类碳纳米管的总体破坏规律，取θ＝45°，如需特殊考虑某根碳纳米管的破坏情况，可以根据电子显微镜观测得到特定的θ。

进一步，为比较碳管的摩擦阻力与抗拉承载力的关系，定义两者的比值：

在拔出的过程中：

当γ＜1，碳管被拔出，且随着碳管的拔出，锚固长度x逐渐减小，摩阻力F也减小，γ持续减小；当γ＞1，碳管直接被拉断。在裂缝处，碳纳米管被拉断的过程为：随着裂缝张开被拉伸——被拉断——从断口处的基体脱出(如图4)。

进一步，基于以上拉断过程分析得出，通过显微镜观察碳纳米管破坏方式的方法是：碳纳米管端口很短，断口处有损伤，说明其被拉断；反之碳纳米管露出端口较长，端口呈光滑圆弧，说明其被拔出。

进一步地，当预测结果与复核结果不一致，则根据显微镜中裂缝处的图像，修正式(4)中对θ和x，直至于与复核结果一致，而获得裂缝周围碳纳米管的存在形态的预测结果。

本发明通过分析碳纳米管自身的材料特性，提出一种碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，研究人员可以将碳纳米管和基体的基本性能参数代入该方法，从而明确地判断碳纳米管在复合材料中的破坏模式，对复合材料的破坏进行有效地预判，可用于指导实验和工程实践。

附图说明

图1为空心管/纤维从基体中被拉出的示意图；

图2为碳纳米管在复合材料中的形态(一般为弯曲存在)；

图3(a)为碳纳米管在基体中的弯曲模型图；

图3(b)为图3(a)碳纳米管在基体的出口处的受力分析图。

图4为碳纳米管在复合材料中被拉断的破坏形式示意图；

图5为实施例1碳纳米管在水泥基复合材料中拉断破坏的显微镜图片；

图6(a)为碳纳米管完整的端部形式结构图；

图6(b)为实施例2碳纳米管在水泥基复合材料中拔出破坏的显微镜图片；

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

考虑碳纳米管增强的水泥基复合材料。实施例将采用不同种类的多壁碳纳米管进行试验。将多壁碳纳米管先分散于水溶液中，再利用碳纳米管水溶液拌合水泥基材料。搅拌均匀、成模、养护28d后，经过抗压抗折测试，敲取测试后的试块，观察其破坏面处碳纳米管的破坏情况。

实施例一：该类多壁碳纳米管基本参数如下：D＝30nm，d＝20nm，σ＝50GPa，τ_i＝20MPa，长度l＝30μm。使两边锚固长度都最大的情况是裂缝在碳管的中部，这时x_max＝l/2＝15μm。

代入(4)式，得到γ＝2.04＞1。因此，此根碳纳米管摩擦阻力大于抗拉承载力，单根碳纳米管倾向于被拉断。在裂缝处，碳纳米管被拉断的过程为：随着裂缝张开被拉伸——被拉断——从断口处的基体脱出(如图4)。

如图5是该碳纳米管被拉断的电子显微镜图片，从显微镜观察可以判断其被拉断——CNT露在外部的断口很短(400nm左右)，而且断口处有损伤，与光滑完整的CNT端头有明显的区别，与理论判断的结果一致。

实施例二：该类多壁碳纳米管基本参数如下：D＝35nm，d＝20nm，σ＝50GPa，τ_i＝20MPa，长度l＝5μm。使两边锚固长度都最大的情况是裂缝在碳管的中部，这时x_max＝l/2＝2.5μm。

代入(4)式，得到γ＝0.24<1。因此，预测该碳纳米管被拔出。

如图6(b)是该碳纳米管被拉断的电子显微镜图片，从显微镜观察可以看出，CNT断口处圆润光滑，未见损伤痕迹，与碳纳米管完整的端部结构(如图6(a))一致。说明该碳纳米管的端部是被直接拔出而没有被拉断。这与理论判断的结果一致。

以上对本发明做了详尽的描述，以上实施例所述仅为本发明的较佳实施例，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的任何修改、等效变化或改进，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，其特征在于它根据下式(4)进行预测判断碳纳米管在复合材料中破坏模式：

当γ＜1，碳纳米管在基体裂缝处为被拔出，当γ＞1，碳纳米管在基体裂缝处为被拉断；

其中，D和d分别为碳纳米管的外径和内径；x为碳纳米管在基体中的锚固长度；τ_i为碳纳米管和基体间的摩擦力；σ为碳纳米管自身的抗拉强度；θ为碳纳米管与基体裂缝面的角度。

2.如权利要求1所述的碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，其特征在于通过显微镜观察复核碳纳米管破坏方式，当在基体裂缝处碳纳米管端口很短，断口处有损伤，说明其被拉断；反之，碳纳米管露出端口较长，端口呈光滑圆弧，说明其被拔出。

3.如权利要求2所述的碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，其特征在于当预测结果与复核结果不一致，则根据显微镜中裂缝处的图像，修正式(4)中对θ和x，直至于复核结果一致，而获得裂缝周围碳纳米管的存在形态的预测结果。

4.如权利要求1所述的碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法，其特征在于θ的起始值设为45°，x的起始值设为碳纳米管长度的一半。

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