树脂基纳米复合材料力学行为及增强机理研究.pdf

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1、1西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：树脂基纳米复合材料力学行为及增强机理研究作者：苗应刚学科专业：固体力学指导教师：李玉龙2015年4月2Title:StudyonMechanicalBehaviorandReinforcementMechanismsofEpoxy-matrixNanocompositesByMiaoYing-GangUndertheSupervisionofProfessorLiYu-LongADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmen

2、toftherequirementForthedegreeofDoctorofSolidMechanicsXi’anP.R.ChinaApr.20153谨以此文纪念我的父亲4摘要摘要纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通和体育等领域。纳米颗粒具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的宏观量子隧道效应，使得纳米复合材料在力热光电等领域的研究方兴未艾，比如在力学方面，由于纳米颗粒表面效应带来的增强效应使得纳米颗粒增韧复合材料得到了深入而广泛的研究。但是国内外关于纳米复合材料在动态力学性能方面的研究

3、工作开展较少，对纳米颗粒的增强机理认识还不够全面。因此对不同物理性质的纳米颗粒开展相关研究，以期对颗粒增强机理有更深入的认识，这对颗粒增强复合材料的设计与应用具有重要的意义。本文基于分离式Hopkinson杆实验技术，系统地研究了基体环氧树脂以及分别由纳米SiO2和纳米橡胶颗粒增强的环氧树脂基复合材料压缩力学性能测试。对影响Hopkinson压杆实验精度的各因素进行了系统分析，得到了材料的力学行为与应变率、颗粒性能和颗粒含量的相关性；通过有限元分析软件建立复合材料的unitcell模型，对复合材料中颗粒作用机理进行了分析研究；根据环氧树脂类材料的力学响应，建立了含有8个参数的

4、本构关系。论文所取得的主要结论为：（1）通过对Hopkinson压杆加载试样过程的解析分析表明：对于本文研究的环氧树脂类材料，即使施加于试样中的应力没有完全达到平衡，只要加载时间超过两个特征时间，根据三波法计算出的试样应力应变曲线也是足够精确。若以弹性模量的精确度为标准，计算的误差在5%之内。通过优化设计加载波，提出了一组优化应力波构型的解析解。对于线弹性材料试样在小应变加载下，满足该方程的应力波可以在两个特征时间之后，实现试样内应力平衡和恒定应变率加载，相应的有限元模拟和基于脆性砂石材料的试验也证实了该方程的准确性和可行性。（2）在复合材料动态弹性模量测试精度研究中，发现压

5、痕效应、试样和杆不完全接触是材料动态弹性模量测不准的两大因素。对于金属类高弹性模量材料，通过有限元分析得知常规尺寸的试样和压杆端面间严重的压痕效应导致弹性模量测量误差远大于5%。当采用转接头和长试样时可以将测试误差降低，相应有限元分析证实了该方案的可行性。而对于聚合物类低弹性模量材料，可以通过增大试样直径以避免较大的压痕效应，通过采用本文开发的竖直Hopkinson杆加载技术，改善试样和杆端面的接触状态，实现了聚合物材料动态弹性模量的精确测量。（3）通过对环氧树脂材料进行一系列压缩试验发现：环氧树脂材料力学变形能否完全恢复的临界载荷大于材料的弹性极限，其数值非常接近峰值应力。

6、对环氧树脂材料在峰值应力处变形机理进行研究，推断出可能的变形机理：当施加于材料中的载荷达到峰值应力时，材料内部分子链三维网状结构中交联点开始断裂破坏，随之启动了应变软I化的变形过程，由这些分子链链段运动造成的形变是不能自主恢复的。（4）通过对刚性颗粒SiO2增强复合材料的峰值应力和相应的应变率敏感性分析研究发现：该颗粒增强效应不明显。基于unitcell模型数值模拟结果表明：刚性颗粒增强效果依赖于基体材料的本构特征，即受制于基体环氧树脂材料峰值应力后的应变软化率。进一步的模拟研究发现：当软化率低到一定程度时，即使添加刚性颗粒，其增强效果也可以为负，即减弱了复合材料的力学性能。

7、通过对柔性橡胶颗粒增强复合材料的峰值应力和相应的应变率敏感性研究发现：虽然橡胶颗粒减弱了材料的峰值应力，但是颗粒在大变形下的应变硬化阶段的增强效果显著。Unitcell模型模拟发现：在大变形下，由于橡胶颗粒的不可压缩性，颗粒表现为具有刚性颗粒的增强效果。（5）基于环氧树脂材料的力学响应特征，提出了一种本构方程，该方程由Maxwell模型、Weibull模型和指数函数组成。模型采用8个参数，可以较好地反映环氧树脂类材料的峰值应力以及应变软化、平台应力和应变硬化等三大特征，并且容易拓展表征以此为基体的颗粒增