氢键对氧化石墨烯复合结构层间剪切行为影响研究

针对氧化石墨烯层状复合结构性能优化设计要求及其对环境湿度的高敏感性,开展了氧化石墨烯在湿润环境下的层间剪切行为研究。首先,采用连续力学理论,获取不同氧化浓度时氧化石墨烯层状结构层间粘结能、层间氢键相互作用能及剪切应力表达式;所获得的层间能量理论值与分子动力学模拟结果基本一致。其次,通过在氧化石墨烯层间加入不同含量水分子和改变氧化浓度,调控层间氢键网络密度,以改善氧化石墨烯复合结构的界面力学性能。研究结果表明,增加氧化浓度有效增加了层间氢键网络密度,从而提高了氧化石墨烯层间剪切强度。但当氧化石墨烯为有限尺寸时,氧化浓度存在最佳值,在达到该值后氧化石墨烯剪切强度将基本保持不变。此时,在氧化石墨烯层间再引入水分子可进一步增强其剪切强度,且含水量亦存在最佳值。总之,本研究提出了一种氢键能量的简便数值计算方法,阐述了层间氢键网络密度对氧化石墨烯复合结构层间剪切性能影响的机理,并提出两种提升其层间力学性能的途径,为氧化石墨烯基复合结构性能优化设计提供了一定的参考。     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力-应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp~2杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低.研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

功能梯度材料的平面断裂力学分析

针对材料参数在厚度方向可能按任意连续变化的梯度材料，给出了一个新的分层模型，利用该模型求解了面内加载下梯度界面层和涂层中的界面裂纹问题，借助Fburier积分技术和传递矩阵方法，将该问题化为一个Cauchy型奇异积分方程，通过数值求解，得到感兴趣的应力强度因子，对不同形式的杨氏模量和泊松比，计算了界面裂纹应力强度因子，结果表明泊松比的变化形式对应力强度因子影响不大，可当作常数处理，而杨氏模量的影响则很大。     

概率断裂分析的随机边界元法

应用随机边界元法分析材料弹性常数的随机性和裂纹面随机性对应力强度因子的影响。文中首先简介了随机边界元法，给出了具有随机材料或几何参数的弹性体的边界位移或面力的协方差，进而给出了材料参数和裂纹面随机时应力强度因子均值和方差的计算公式。算例中详细讨论了杨氏模量、泊松比及裂纹面的随机性对应力强度因子的影响。     

埋入式光纤传感器界面剪切强度实验

采用实验方法对光纤与基体间界面性能进行研究.用临界断裂长度法直接测定界面的剪切强度,由于光纤拉伸强度高于树脂基的拉伸强度,出现试验时基体破坏而光纤完整地从树脂基中拔脱的现象.用单丝拔出法测量光纤与基体之间界面剪切强度,试验结果表明,光纤单丝拔出时,总是出现光纤涂层在锚入端断裂,而纤芯从涂层中拔脱的现象,说明当光纤埋入复合材料中,涂层和基体材料结合为一体,光纤涂层与纤芯之间界面剪切强度最低.承载时,若光纤所受正应力超过σ_(max),会出现光纤涂层与纤芯之间界面脱离,产生裂纹,降低整体结构力学性能.     

Stone-Wales拓扑缺陷对石墨烯拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对含Stone-Wales(SW)拓扑缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了SW拓扑缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单个SW缺陷对两种手性石墨烯薄膜的杨氏模量几乎无影响,而对薄膜的强度、应变等力学性能和变形破坏机制的影响与手性有...     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

多孔氧化铝薄膜横观各向同性弹性性质的研究

电化学阳极氧化生成的氧化铝薄膜含有高度有序的纳米孔阵列,本文首先假设氧化铝薄膜基体(无孔部分)为各向同性,结合其周期性孔结构特点和均匀化理论,可以得到氧化铝基体和薄膜弹性性质之间的关系。然后利用单轴拉伸结合电子散斑干涉(ESPI)的方法得到薄膜面内的杨氏模量为63.4GPa,并根据均匀化方法得到的基体与薄膜弹性性质的关系进一步推出薄膜横观各向同性的其它弹性参数,如基体杨氏模量等。为证明结果的可靠性,利用推出的弹性参数建立三维有限元模型,模拟纳米压痕实验,得到的加卸载曲线与实验曲线相吻合。     

三维正交机织复合材料的力学性能研究

利用材料试验机装置开展了三维正交机织Kevlar/乙烯基树脂复合材料力学实验,实验表明面内经向拉伸和厚度z方向压缩时,材料具有一定的应变率效应,厚度z方向压缩强度远大于面内压缩强度,而面内经向和纬向的拉伸强度则相当.结合纤维的编织方式,对这些现象做了必要的定性分析.最后,本文基于三维正交机织复合材料的结构特点,推导了一组可用于估算三维正交机织复合材料弹性模量的公式,估算结果和实验值接近.     

基于努氏硬度表征大块金属玻璃的力学性能

采用多种载荷对14种大块金属玻璃进行努氏硬度测试,结果表明努氏硬度随载荷的增加而降低,最后趋于稳定。利用Meyer定律、弹塑性变形模型、Hays-Kendall模型和变形阻力模型对材料的压痕尺寸效应进行分析,结果表明实验材料受到正压痕尺寸效应的影响,在压痕表面未产生裂纹时应采用较大载荷下趋于稳定的硬度值进行杨氏弹性模量E和屈服强度σy的分析。对于大多数实验材料,未修正的Marshall模型和Conway模型计算的杨氏弹性模量值偏大。Marshall模型中的参数α随着压痕对角线比值b′/d的增大而线性减小,Conway模型中的修正系数β随着压痕短对角线比值的平方(b′/b)2线性增加;对两模型进行修正时α和β可以分别用b′/d与(b′/b)2线性表示;同时发现金属玻璃的努氏硬度和杨氏弹性模量成正比,比例系数为0.0445。分别利用Tabor、Lockett、Yu、Marsh、Johnson和Vandeperre模型计算屈服强度时,除Johnson模型的计算值接近实际值外其它模型计算结果偏低,为了不同的模型能够得到正确的屈服强度,需要修正努氏硬度HK与名义硬度H之间的比例关系。当大块金属玻璃的努氏硬度小于6 GPa、玻璃态转变温度小于800 K时,缺口韧性KQ分别随着努氏硬度HK和玻璃态转变温度Tg线性增加。     

激光冲击对氧化石墨烯薄膜的结构及力电性能影响

采用激光烧蚀氧化石墨烯薄膜,可实现其微尺度图案化加工,以应用于微纳米电子器件。但激光冲击下氧化石墨烯薄膜的结构及力、电性能变化直接影响了器件稳定性和可靠性。为研究超高应变率加载对氧化石墨烯薄膜的结构及性能的影响,采用不同功率激光冲击氧化石墨烯薄膜,通过对其表面形貌、化学成分表征揭示薄膜结构的改变机理,通过对薄膜冲击前后的硬度、弹性模量、导电率测试探索合理的激光加工参数。结果表明:在1.14 W功率的二氧化碳激光冲击下,可实现加工区氧化石墨烯薄膜的还原且不造成薄膜烧蚀断裂,其电导率可达到1.727×103 S/m,弹性模量为49.97 GPa,硬度为5.71 GPa。     

Characterization of the Orthotropic Elastic Constants of a Micronic Woven Wire Mesh via Digital Image Correlation

Woven structures are steadily emerging as excellent reinforcing components in dual-phase composite materials subjected to multiaxial loads, thermal shock, and aggressive reactants in the environment. Metallic woven wire mesh materials in particular display good ductility and relatively high specific strength and specific resilience. While use of this class of materials is rapidly expanding, a significant gap in property characterization remains. This research classifies the homogenized, orthotropic material properties of a representative twill dutch woven wire mesh through the use of in-plane uniaxial tensile experiments incorporating a Digital Image Correlation (DIC) strain measurement technique. Values for elastic modulus and Poisson’s ratio are calculated from the experimental data, and shear modulus values are identified by means of constitutive modeling. This approach establishes a reproducible method for characterizing the in-plane elastic response of micronic metallic woven materials via macro-scale uniaxial tensile tests, and shows that a homogenous orthotropic constitutive model may be employed to describe the macro-scale elasticity of this class of materials with reasonable accuracy.     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能,石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下,对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误,则其层间应力过大可能导致层间失效.因此,论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型,用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外,还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

A novel model for analysis of multilayer graphene sheets taking into account the interlayer shear effect

In this study, a multiplate shear model is developed for dynamic analysis of multilayer graphene sheets with arbitrary shapes considering the interlayer shear effect. By utilizing the model, then some free-vibration analysis is presented. According to the experimental results, the weak interlayer van der Waals interaction cannot maintain the integrity of carbon atoms in adjacent layers. Therefore, it is required that the interlayer shear effect is accounted to study multilayer graphene mechanical behavior. The governing differential equation of motion is derived for the multilayer graphene sheets utilizing a variational approach based on the Kirchhoff plate model. The essential and natural boundary conditions are also obtained at both the smooth periphery parts of the multilayer graphene sheets and the possible sharp corners. By considering cantilever and simply supported multilayer rectangular graphene sheets as two case studies, the results for the free-vibration analysis are presented based on the developed model, and these results are compared with those of molecular dynamics simulations as some sort of verification. These results show that when the layers number increases, the natural frequency also increases up to a specific number, and afterward the influence of layers number on the natural frequency significantly decreases. Moreover, the natural frequency decreases with increase in the sheet aspect ratio up to a specific value, then the changes in the aspect ratio have no considerable effect in the natural frequency.     

多晶石墨烯拉伸力学性能及其影响因素的灵敏度分析

晶粒尺寸、温度和应变率等对纳米材料的力学性能有重要影响。本文通过分子动力学（MD）数值模拟,分析了不同晶粒尺寸多晶石墨烯在不同温度、拉伸应变率下的杨氏弹性模量、极限应力、极限应变等拉伸力学性能。结果表明,晶粒尺寸、温度和拉伸应变率对拉伸力学性能有较大影响。利用正交实验法,分别分析了杨氏弹性模量、极限应力和极限应变对晶粒尺寸、温度和拉伸应变率的敏感程度。结果表明,杨氏弹性模量和极限应力对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、温度和拉伸应变率;极限应变对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、拉伸应变率和温度。研究结果可为多晶石墨烯的理论研究和工程应用提供参考。     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．