[发明专利]碳纳米管在复合材料中破坏模式的预测方法

说明书

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。

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)