【摘 要】
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本文旨在研究高分子纳米复合材料宏微观结合方法,多尺度、跨层次的材料强度和力学行为。以聚酰胺基纳米复合材料为研究对象,根据不同尺度下各层次微结构的特点,建立了纳米复
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本文旨在研究高分子纳米复合材料宏微观结合方法,多尺度、跨层次的材料强度和力学行为。以聚酰胺基纳米复合材料为研究对象,根据不同尺度下各层次微结构的特点,建立了纳米复合材料的依赖于微结构尺度的构筑/分解框架,表征其宏细微观体系的微结构的力学基本量,针对不同层次系统的特点,给出各层次在均相介质、非均相介质以及周期性介质控制方程的建议,以及跨层次的关联方法,从而建立起系统的多尺度、跨层次的逐次均匀法。 以利用原位复合方法制备的尼龙6/SiO2纳米复合材料为例,材料测试表明,该材料中尼龙以结晶相和非晶相共存,结晶相成球形,SiO2纳米相也成球形,部分纳米相成为异相结晶核,被包裹的尼龙结晶相内,部分纳米相散布在尼龙非晶相中。根据逐次均匀法的思想,将该复合材料划分为宏观、细观和纳观三个层次,经过逐次均匀的跨层次等效,最后获得该纳米复合材料的宏观等效性能。 在纳观层次上,利用分子动力学(molecular dynamics,MD)方法计算聚酰胺结晶相的弹性常数,而对聚酰胺非晶相则利用基于分子拓扑的关联指数(Connectivity index)法计算其弹性性能、体积属性、破坏性能等物理量。在细观层次上,利用细观力学方法和有限单元(finite element,FE)法,研究了SiO2纳米相和球晶的体积分数、空间分布对细观尺度下的等效性能的影响。在宏观层次上,利用FE方法研究细观非均匀性对宏观等效性能的影响,模拟了标准试件在单轴拉伸状态下的动态拉伸直到断裂失效的全过程,与实验结果吻合较好。 根据复合材料的微结构特征,研究了影响材料强度的主要因素:增强相的体积分数、增强相的强度、增强相的空间分布及非理想界面等对复合材料强度的影响。利用FE方法研究了尼龙6/SiO2纳米复合材料的增强相的体积分数、强度、空间分布对复合材料宏观等效强度的影响;理论分析了非理想界面各相应力分布情况,以及理想界面和非理想界面处的应力跳跃情况。分析表明增强相球形颗粒的尺寸以及界面相的体积分数应该处于一种较为合理状态,改善界面结合工艺以使界面结合得更接近理想界面,可以提高复合材料的整体性能。
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