碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法，通过碳纳米管自身的材料参数和复合材料的弹性模量，来预判碳纳米管复合材料弹性模量随碳纳米管掺量的变化特征。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，从而对复合材料的弹性模量与碳纳米管掺量的关系进行定量的预判，用于指导实验和工程实践。

Prediction method of elastic modulus change of carbon nanotube composite

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法。
技术介绍
碳纳米管(CNT)由于其高强度、高弹性模量、高比表面积等优异的物理性能，被认为是理想的增强材料，近年来在复合材料领域受到了广泛的关注和应用。第一，增强材料具有高弹性模量，其加入会直接提高基体的弹性模量；第二，相比其他增强材料，碳纳米管的长径比非常大(几千到几万)，导致碳纳米管的比表面积非常大：一方面，在基体中产生大量的界面，导致材料中界面过渡区的体积分数大大增加，研究表明，界面过渡区的弹性模量比基体的小，孔隙也更多，界面过渡区体积的增大，会影响基体的弹性模量。另一方面，随着碳纳米管掺量的增加，碳纳米管之间的距离会迅速减小，碳纳米管之间的相互作用使得碳纳米管周围的基体无法有效传力，导致碳纳米管无法继续增大基体的弹性模量。以上是碳纳米管在复合材料中不同于其他纤维的特点，这些特点决定了碳纳米管增强复合材料的弹性模量并非随着掺量单调增加。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复合材料的弹性模量变化预判方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，考虑碳纳米管增强材料界面过渡区的影响，提供一种碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法。具体技术方案如下：考虑掺加高弹模碳纳米管的复合材料等效弹性模量。当碳纳米管体积掺量Vf-CNT较小时，在复合材料破坏过程中，碳纳米管可以充分发挥其粘结-滑移作用，复合物弹性模量是碳纳米管与基体弹性模量的加权值：Ecom＝Vf-CNTECNT+(1-Vf-CNT)EM(1)其中，Ecom，ECNT，EM分别是碳纳米管复合材料、碳纳米管、基体的弹性模量。当碳纳米管掺量大于一定临界体积掺量V0时，碳纳米管间距过小，使得碳纳米管之间的基体无法有效传递应力，因而碳纳米管对弹性模量的增强作用无法随着碳纳米管体积掺量的增加而继续增加。因此：进一步，考虑界面过渡区的影响。界面过渡区体积掺量Vf-ITZ随碳纳米管体积掺量Vf-CNT单调增加。具体地，两者关系计算如下：取任意一个横截面，假设碳管均匀排布，那么每根碳管与周围碳管的距离相等，占据的横截面积相等，建立模型，如图1a、1b所示。由于碳管的体积掺量计算公式为：其中，A是横截面积，N是该横截面积内碳管的总量。取N＝1，可以算出每根碳纳米管在基体中平均分配到的基体横截面积Acell与掺量Vf-CNT的关系：进一步算出单位长度每根碳纳米管平均占据的体积：单位长度碳管的表面积计算公式为：SCNT＝πD(6)单位长度下一根碳纳米管周围界面过渡区体积VITZ近似等于碳纳米管表面积×界面过渡区厚度dITZ：VITZ＝πDdITZ(7)大多研究表明界面过渡区厚度在100-1000nm之间。界面过渡区体积分数Vf-ITZ与碳纳米管掺量Vf-CNT的关系如下：其中，由于界面过渡区的弹性模量比基体弹性模量小，令界面过渡区弹性模量为：EITZ＝(1-η)EM(9)η取0.25-0.75。则有，考虑界面过渡区的复合材料等效弹性模量计算式如下：将式(8)(9)代入式(10)，最终将复合材料弹性模量转化为由碳纳米管和基体弹性模量以及碳纳米管掺量的表达式：其中：Ecom、ECNT、EM分别是复合材料、碳纳米管、基体的弹性模量；Vf-CNT是碳纳米管的体积掺量；η是界面过渡区弹性模量比基体弹性模量的折减比例，η取0.25-0.75；V0为碳纳米管在复合材料中的临界体积掺量，碳纳米管掺量大于V0后,碳纳米管间距过小，使得碳管之间的基体无法有效传递应力，因而碳纳米管对弹性模量的增强作用无法随着碳纳米管体积掺量的增加而继续增加。V0与碳纳米管的直径、基体的模量等有关。V0一般取0.5％-1.0％之间。本专利技术通过分析碳纳米管自身的材料特性和复合材料的弹性模量，提出一种适用于碳纳米管的复合材料弹性模量变化判断方法，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，从而对复合材料的弹性模量与碳纳米管掺量的关系进行定量的预判，用于指导实验和工程实践。附图说明图1(a)为碳管均匀排布截面模型示意图；图1(b)为单根碳纳米管的横截面积ACNT与其平均分配到的基体横截面积Acell之间的关系。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应理解，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。在该实施例中，为了验证碳纳米管复合材料的弹性模量与碳纳米管掺量Vf-CNT是否有关，设计如下试验。实施例中，碳纳米管参数D＝30nm，d＝10nm，ECNT＝1800GPa。本实施例中采用碳纳米管水泥基复合材料。分别在水泥砂浆中加入0％、0.5％、1.0％、1.5％的碳纳米管，分别命名为C-1,C-2,C-3,C-4。由于碳纳米管掺量较小，为计算方便，这里碳纳米管掺入导致的总体积变化可忽略。C-1组制样过程如下：将水泥、细砂、粉煤灰按比例倒入搅拌机中，预搅拌2min。将80％的拌合水倒入搅拌机，搅拌5min，最后倒入剩下的20％拌合水，搅拌2min，直至浆体均匀，倒入模具浇筑成试件。C-2组制样过程如下：将碳纳米管先按5％的浓度分散在水分散液中，球磨3小时，制成碳纳米管水性浆料备用。将水泥、细砂、粉煤灰按比例倒入搅拌机中，预搅拌2min。按照配比将碳纳米管水性浆料与80％的拌合水混合均匀，倒入搅拌机，搅拌5min，最后倒入剩下的20％拌合水，搅拌2min，直至浆体均匀，倒入模具浇筑成试件。C-3、C-4组除碳纳米管配比不同外，制样过程与C-2组相同。试件浇筑完成养护28天后，进行水泥基复合材料的力学性能测试，测得的性能指标取3块试件的平均值。得出不同碳纳米管掺量下，水泥基复合材料的实际弹性模量。为验证本专利技术，将本实验的各参数代入本专利技术中的公式(11)，算出不同碳纳米管掺量下，水泥基复合材料的弹性模量。计算参数如下：测得水泥砂浆本身的弹性模量为EM＝32.40GPa，取界面过渡区厚度dITZ＝300nm，折减系数η＝0.5,临界体积掺量V0＝0.7％。将弹性模量的实验值与理论值列于下表：表1水泥基复合材料弹性模量的实验值与理论值实验值与理论值相差在0.5GPa范围内，说明本专利技术的预判方法可靠度良好。可以作为有关实验和工程实践的参考。以上对本专利技术做了详尽的描述，以上实施例所述仅为本专利技术的较佳实施例，用于帮助理解本专利技术的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法，其特征在于它根据碳纳米管的掺量变化判断碳纳米管复合材料的弹性模量；/n碳纳米管和基体弹性模量以及碳纳米管掺量的表达式为：/n

【技术特征摘要】
1.碳纳米管复合材料的弹性模量变化预判方法，其特征在于它根据碳纳米管的掺量变化判断碳纳米管复合材料的弹性模量；
碳纳米管和基体弹性模量以及碳纳米管掺量的表达式为：



其中：
Ecom、ECNT、EM分别是复合材料、碳纳米管、基体的弹性模量；
Vf-CN...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆华，徐世烺，王晓冉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33