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交聯對碳管網絡材料大變形力學行爲的調控機理研究

作者:楊田、王超 2020-01-10 11:04 來源:
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  碳管網絡材料是由大量碳納米管堆積而成的一種新型納米多孔材料,具有極大的孔隙度、良好的導熱導電以及出色的力學性能,在儲能、過濾、先進複合材料等領域有著廣闊的應用前景。爲了提升和調控網絡材料的性能,材料學家常常在相鄰碳管之間引入交聯(crosslinks)來增強碳管間的界面強度,進而提升和調控碳管網絡材料的宏觀性能。因此,交聯對碳管網絡材料的變形模式和斷裂行爲的影響就是該領域一個關鍵科學問題。 

  中科院力學所團隊建立了考慮碳納米管斷裂的碳管網絡材料模型,通過大規模粗粒化分子動力學模擬,對其在單軸拉伸、壓縮載荷下的大變形以及斷裂行爲進行了系統研究,發現在拉伸載荷下,網絡材料的變形模式由交聯密度決定,且存在一臨界交聯密度值ρc1,當ρ < ρc1網絡材料的變形以碳管的彎曲變形爲主;當ρ> ρc1,網絡材料的變形模式又與拉伸應變高度相關,呈現出彎曲-拉伸-彎曲三階段主導模式,即隨著拉伸應變的增大,變形模式從碳管彎曲主导转变为碳管拉伸主导,在更大的拉伸应变下,由于局部断键,又转变为碳管彎曲主导。而在压缩载荷下,网络材料的变形模式与交联密度和压缩应变均不相关,始终以碳管彎曲为主。进一步,研究发现存在另一临界交联密度值ρc2,使得碳管網絡材料從韌性斷裂轉變爲脆性斷裂。該項研究可以爲碳管網絡這一新型納米多孔材料的廣泛應用提供一定的科學指導。 

  圖片說明:(左圖)拉伸作用下交聯密度ρ對主導變形模式的影響;(右圖)交聯調控材料的韌脆轉變,其中紅色爲交聯。 

  相關結果以“Crosslink-tuned large-deformation behavior and fracture mode in buckypapers”爲標題發表于國際主流學術期刊Carbon,(Carbon. 2020(159). 421-421),中國科學院力学研究所博士生杨田为論文第一作者,王超副研究員、武作兵研究員为共同通讯作者。该项目得到国家自然科学基金和中國科學院战略性先导科技专项的资助,计算模拟由吕梁超算中心提供支持。 

  文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622319312722?via%3Dihub 

    

 

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