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《碳纳米管增强镁基复合材料长径比对力学性能影响的有限元分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第10卷第23期2010年8月科学技术与工程Vol110No123Aug120101671-1815(2010)23-5630-04ScienceTechnologyandEngineeringZ2010Sci1Tech1Engng1一般工程技术碳纳米管增强镁基复合材料长径比对力学性能影响的有限元分析*刘贵立杨忠华栗青(沈阳工业大学建筑工程学院,沈阳110870)摘要建立复合材料中(镀铜)碳纳米管增强镁基复合材料空间轴对称分析模型,直接采用有限元法研究长径比对纳米复合材料的力学性能的影响。研究表明,长径比较高时,增强基应力集中程度较高,饱和应力范围较大,说明提高长径比可以提高应力传递效率,
2、有利于增强基高弹性模量的发挥;随着长径比的提高,复合材料整体弹性模量增大,当长径比超过临界值后整体弹性模量趋于稳定;对于碳纳米管增强镁基复合材料,长径比临界值为45,弹性模量的临界值为49GPa。关键词碳纳米管镁基复合材料长径比有限元分析力学性能中图法分类号TB333;文献标志码:A镁是地球上储量最丰富的元素之一,随着新型1有限元分析制备工艺的不断发展,镁基复合材料在航天航空、汽车、核工业以及其他先进的工程方面得到广泛的111计算模型应用,自二十世纪八十年代以来,镁基复合材料已假设碳纳米管规则排列在基体中,它们呈周期[1)3]成为金属基复合材料领域的研究热点之一。碳性均匀分布。由于碳纳米管
3、在复合材料中体积分纳米管有优异的力学性能,其刚度是钢6倍,抗拉强数较小(f=018%)只提取单个胞元进行分析,忽略度是钢的100倍,而密度仅是钢的1/6,承受很大的相邻纳管之间的影响。在单向拉伸荷载作用下,胞[4]弯曲变形和扭转变形仍能保持弹性。因此碳纳元可以简化为基体中含有一个碳纳米管(见图1),米管增强镁基复合材料可能具有极好的综合机械[5]进而将三维空间问题转化为轴对称问题。性能,而到目前为止这方面的研究报道不多。现建立带有界面层的碳纳米管增强镁基复合材料空间轴对称分析模型,利用有限元分析方法,系统研究增强基长径比(A=10~100)对复合力学性能的影响。并计算复合材料长径比以及弹性
4、模量的临界值,为制备高性能碳纳米管增强镁基复合材料提供理论依据。图1复合材料中碳纳米管单位胞示意图图2是碳纳米管增强镁基复合材料分析模型,模2009年5月24日收到国家自然科学基金项目(50671069)资助型中阴影部分为复合材料的界面层,界面厚度取011第一作者简介:刘贵立(1963)),男,山东济宁市人,教授,博士,研倍增强基半径,即r=011RC。AB、DE边的边界条件究方向:材料微观组织与力学性能。因对称性法向位移取为零,CD边加均布荷载,BC*通信作者简介:杨忠华(1985)),固体力学硕士,研究方向:复合边令其自由以保证该边应力为零,模拟各胞元间相材料力学性能的有限元分析;E-
5、mai:ljianzhushebei0401@126.com。互无挤压现象。在有限元分析中,模型的单元类型23期刘贵立,等:碳纳米管增强镁基复合材料长径比对力学性能影响的有限元分析5631采用Quad8node183。为提高分析精度划分网格时增强复合材料的高性能在很大程度上取决于应力将ManualSize中的GlobalSize设定为013,然后再传递效率。因此研究不同长径比碳纳米管长度方进行面单元自由划分。向上的正应力的分布规律具有很重要的理论和现实意义。图2分析模型示意图图3CNTs轴向应力分布图112材料的力学参数图3是不同长径比(A=10~100)碳纳米管长碳纳米管为空心薄壁结构,
6、建模时根据投影关度方向上的轴向应力分布图。图中横坐标表示沿系只保留碳纳米管薄壁,厚度取0134nm,弹性模量碳纳米管轴向方向从碳纳米管中间至根部各分析[6]EC=11026TPa、泊松比LC=01165。基体镁的弹结点距中间的距离与碳纳米管长度的比值(y/Lc)。性模量EM=44GPa、泊松比LM=0135。纵坐标为计算应力与外载应力的比值,实际上相当在碳纳米管增强镁基复合材料的制备过程中,于应力比率,因为材料处于线弹性范围,其与外载碳纳米管与基体镁的界面结合强度普遍不高无任荷大小无关。由图可知,不同长径比的轴向应力分何化学作用的机械结合,只有弱的范德华力存在,布曲线走势基本相同,碳纳米管
7、两端应力集中系数[7]因此影响了复合材料的强度。文献[8]指出,化接近于0,没有应力传递。从根部至中间部分轴向学镀铜可以增加碳纳米管与金属基体的润湿性。应力逐渐增大到饱和状态,这种饱和状态点在A>基体镁可与镀层铜形成Laves相,MgCu2是一种复10的情况下相对明显。随着长径比增加,碳纳米管杂立方体结构的典型合金,其弹性模量EINT=轴向应力饱和状态点的最大值提高,范围扩大。这[9,10]951862GPa。因为基体镁
