微纳米力学在纳米复合材料和仿壁虎爪纳米纤维阵列中的应用.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论又微纳米力学在纳米复合材料和仿壁虎爪纳米纤维阵列中的应用作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：王正直固体力学辜萍副教授伍小平教授二。一二年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeApplicationofmicro／nanomechanicsonnanocompositesandgecko．．inspirednanofibrilararraysAuthor’SName：ZhengzhiWangSpeciality：SolidMechanicsSuperv

2、isor：Ass．Prof．PingGuandProf．XiaopingWuFinishedtime：May2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学j爿j有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论

3、文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：摘要纳米科技的高速发展给材料领域带来了许多发展机遇和挑战。如纳米材料的特异性能加I二复合材料的协同作用，使得纳米复合材料具有较传统复合材料更加优异的物理机械性能。l刍上世纪八十年代，纳米复合材料就已然成为科研界的热点，目自订己取得很多优异的成果和应用。又如对自然界多种生物体的研究表明，许多生物体的奇异特性

4、与其微观结构密不可分，因此微纳米仿生学逐渐成为学者们关注的热点话题。白本世纪初兴起的仿壁虎爪粘附材料经过十多年的发展也取得了许多突破性的进展。基于微纳米材料的制备工艺和微纳米力学性能表征技术，本文的第一部分系统地研究了纳米复合材料的微观力学和摩擦磨损性能，一定程度地弥补了纳米复合材料在微纳米力学和摩擦学性能研究上的空白。第二部分以纳米多孔膜为模板，制备了仿壁虎爪纳米纤维阵列材料，对单根纳米线的力学性能进行了表征，对阵列有效弹性模量的表达式进行了修正，并结合实验和模拟研究了纳米纤维阵列结构的微观粘附性能。全文的主要工作内容和结果如下：1．以不同结构的环氧树脂(EP)为基体，以溶胶Si

5、02纳米颗粒(～25rim)为填料，利用纳米压痕技术测定了不同组分的EP／Si02复合体系的微力学性能，并研究了压入针尖形貌(圆锥形和三棱锥形)对测试结果的影响。结合有限元模拟，分析了纳米压痕的针尖形貌效应和纳米颗粒的改性机理。结果表明，纳米颗粒的加入能显著提高聚合物基体的硬度和模量，实测值与理论模型预测值相吻合。纳米颗粒能够有效地分布和传递基体内的应力，大大提高复合体系的承载能力。不同形貌的压针会引起压痕内部应力的不同分布，进而造成压痕周围材料的不同效应(pile—up或sink—in)。2．基于纳米压痕设备的划痕模式，测试了不同组分的EP／Si02复合体系的微尺度抗刮擦(scr

6、atch．resistance)矛H摩擦性能，对比分析了两种压针在划痕过程中的摩擦特性。结合有限元模拟，分析了纳米颗粒对聚合物摩擦性能的改性机理。划痕测试结果表明，纳米颗粒的加入能显著提高环氧树脂基体的抗刮擦性，同时能起到一定的减摩作用。抗划性的提高源于复合体系力学性能的提高，减摩机理包括纳米颗粒的润滑作用和滚球效应。两种压针在划痕过程表现出的不同摩擦特性基于不同形状造成的不同主导接触机制。3．利用纳米压痕仪的连续刻划功能，测试了不同组分的EP／Si02复合体系的微观耐磨性能，并研究了载荷和磨损次数对微纳米磨损的影响。针对纳米压痕仪对微区磨损量测量的不足，采用图像处理技术改进了计算

7、方法，分析了纳米颗粒对基体磨损性能的改性机理。测试结果表明，材料的磨损量随载荷和摘要磨损次数的增加而增大，特别是在较大载荷多次磨损时，磨损体积急剧增大，对应着磨损由磨粒磨损和黏着磨损向微纳米疲劳磨损的转变。小载荷低磨损次数下，纳米粒子对基体耐磨性的改性源于硬度的增大、摩擦系数的减小、粒子的滚球效应及宏观的软基体中硬质相承载机理；高载荷多次磨损下，由于复合体系塑性指数的减小和强度的增加，其达到疲劳破坏所需的应力大小和循环次数得到了提高，进而抗疲劳縻损性能得到了改善。4．