【技术实现步骤摘要】
预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法
本专利技术属于低维功能纳米复合材料等效力学性质均匀化方法的研究领域，具体涉及一种预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法。
技术介绍
随着材料科学的发展，低维功能纳米复合材料相比纯金属材料具有更优异的功能及/或力学性质，已被广泛应用于太阳能电池、能量储存器和结构健康监测等领域。作为低维功能纳米复合材料中的一种类型，石墨烯/金属铝纳米复合材料具有高弹性模量(1TPa)等优异力学性质。然而，上述复合材料功能器件在制造和/或实际使用过程中，当外界载荷增大到一定程度时，石墨烯/金属铝纳米复合材料进入塑性变形阶段，在金属铝中出现微小孔洞，产生渐进损伤现象，其力学性能产生急剧退化。因此需要准确预测石墨烯/金属铝纳米复合材料的拉伸强度及破坏应变。研究表明，通过调节球磨时间，可以改变金属铝的晶粒尺寸，从而对石墨烯/金属铝纳米复合材料的等效拉伸强度和破坏应变产生显著影响。目前虽然有关于石墨烯纳米复合材料的其他性能的预测方法，例如专利申请号为201910750297.6“一种石墨烯多孔纳米复合材料的交流电学性能预测方法”和专利申请号为201910818608.8“一种低维功能复合材料温度相关等效电学性能的预测方法”，上述两种方法均是对石墨烯/聚合物纳米复合材料等效电学性质的预测方法。但是关于预测石墨烯/金属纳米复合材料的拉伸强度及破坏应变的方法暂无相关报道，因而目前并没有方法能够定量地准确预测不同球磨时间下石墨烯/金属铝纳米复合材料晶粒尺寸相关的应力应变曲线、等效拉伸强度...
【技术保护点】
1.一种预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，包括以下步骤：/n步骤一：获取石墨烯的材料的微观几何参数和弹性力学性质的参数以及金属铝材料的弹塑性力学性质参数；/n步骤二：制备不同球磨时间下的石墨烯/金属铝纳米复合材料试样，并测量其微观参数及弹塑性力学性能；/n步骤三：根据石墨烯/金属铝纳米复合材料多尺度几何设定、晶粒尺寸相关的渐进损伤过程热力学驱动力和演化方程、晶粒尺寸相关的非理想界面效应和晶粒尺寸相关的多尺度均匀化方法建立石墨烯/金属铝纳米复合材料晶粒尺寸相关的等效拉伸强度及破坏应变的预测模型；然后根据步骤二中所测量的复合材料弹塑性力学性能，选取部分数据点，结合预测模型中剩余参数的计算公式采用牛顿法进行数据拟合，进一步获取石墨烯/金属铝纳米复合材料在预测模型中所需要的剩余参数；再然后结合步骤一和步骤二中获得的参数，以及模型计算出的剩余参数代入到预测模型中，对预测模型进行求解，得到完整的应力-应变曲线，预测石墨烯/金属铝纳米复合材料等效拉伸强度σ
【技术特征摘要】
1.一种预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，包括以下步骤：
步骤一：获取石墨烯的材料的微观几何参数和弹性力学性质的参数以及金属铝材料的弹塑性力学性质参数；
步骤二：制备不同球磨时间下的石墨烯/金属铝纳米复合材料试样，并测量其微观参数及弹塑性力学性能；
步骤三：根据石墨烯/金属铝纳米复合材料多尺度几何设定、晶粒尺寸相关的渐进损伤过程热力学驱动力和演化方程、晶粒尺寸相关的非理想界面效应和晶粒尺寸相关的多尺度均匀化方法建立石墨烯/金属铝纳米复合材料晶粒尺寸相关的等效拉伸强度及破坏应变的预测模型；然后根据步骤二中所测量的复合材料弹塑性力学性能，选取部分数据点，结合预测模型中剩余参数的计算公式采用牛顿法进行数据拟合，进一步获取石墨烯/金属铝纳米复合材料在预测模型中所需要的剩余参数；再然后结合步骤一和步骤二中获得的参数，以及模型计算出的剩余参数代入到预测模型中，对预测模型进行求解，得到完整的应力-应变曲线，预测石墨烯/金属铝纳米复合材料等效拉伸强度σmax为该应力-应变曲线中应力最大值，预测的等效破坏应变εmax为该应力-应变曲线中应变最大值。
2.根据权利要求1所示的预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，其特征在于，所述步骤一中，具体参数种类如下所示：
1.1获取石墨烯材料的微观几何参数包括：石墨烯材料的长径比αg和石墨烯厚度λ，获取方式为测量或者通过资料查询；
1.2石墨烯材料的弹性力学性质参数包括石墨烯材料的平面应变体积模量kg，横向拉伸模量lg，轴向应变下的轴向模量ng，横向剪切模量mg和轴向剪切模量pg，获取方式为测量或者通过资料查询；
1.3金属铝材料的弹塑性力学性质参数包括有：金属铝的杨氏模量Em，泊松比vm，泰勒因子M，比例因子ψ，动态恢复因子k20，几何因子k3，博格斯矢量b，晶格摩擦应力和泰勒常数α，获取方式为测量或者通过资料查询，并通过进一步计算可获得金属铝的剪切模量μm＝Em/2(1+vm)和体模量κm＝Em/3(1-2vm)。
3.根据权利要求1所述的预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，其特征在于，所述步骤二中，具体包括以下步骤：
2.1制备纳米复合材料试样
采用机械球磨法，制备至少3种不同球磨时间下tmilling，石墨烯体积分数为cg的石墨烯/金属铝纳米复合材料样品；
2.2表征试样微观结构参数
采用扫描电子显微镜表征石墨烯/金属铝纳米复合材料的微观结构，测量金属铝的初始晶粒尺寸为d0；测量或通过查询资料，得到金属铝的球磨系数为kmilling；计算得到当球磨时间为tmilling时，金属铝的晶粒尺寸为d＝d0(1-kmilling·tmilling)；
2.3测试试样力学性质
采用力学电子万能试验机进行力学性能测试，分别测量所制备石墨烯/金属铝纳米复合材料样品的等效应力-应变曲线；其中，等效拉伸强度σmax为该应力-应变曲线中应力最大值，等效破坏应变εmax为该应力-应变曲线中应变最大值。
4.根据权利要求1～3中任意以下所述的预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，其特征在于，所述步骤三中：石墨烯/金属铝纳米复合材料多尺度几何设定，包括以下步骤：
根据石墨烯/金属铝纳米复合材料在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程：初始状态下，纳米复合材料处于未损伤状态，石墨烯随机且均匀地分布在金属铝基质中；随着外界载荷的增大，金属基质内逐渐出现微小孔洞，产生渐进损伤现象；
在小尺度均匀化问题中，将渐进损伤的金属铝看作由微小孔洞和金属铝组成的两相复合材料，其中，孔隙率记为cv；本步骤在预测方法中引入一个晶粒尺寸相关的损伤变量D(d)来刻画金属铝渐进损伤的程度，并与孔隙率cv相关联，具体关系如下：
cv＝(γ0+cgηγ)D(d)，其中0≤D(d)≤1(1)
γ0代表金属铝的最大孔隙率，ηγ表示石墨烯对金属铝最大孔隙率的影响；
金属铝位错密度的演化方程可以表示为：
其中：参数k＝k3/(bd)，k1＝ψ/b，ke＝(d/d0)-2；d0代表金属铝的初始晶粒尺寸，已在步骤二中的2.2中通过测量获得；d为球磨加工后的金属铝晶粒尺寸，已在步骤二中的2.2中通过计算获得；M，ψ，k20，k3和b分别为泰勒因子，比例因子，动态恢复因子，几何因子和博格斯矢量，已在步骤二中的1.3中通过测量或者查询资料获得；ρs0代表金属铝的初始位错密度；为金属铝的等效塑性应变，将在步骤三计算等效应力-应变曲线过程中给出；
金属铝的流动应力可以表示为：
其中，上标“m”代表金属铝的材料性质；μm为金属铝的剪切模量，已通过步骤一中的1.3中计算给出；ρs金属铝的位错密度，已通过方程(2)求解给出；和α分别代表金属铝的晶格摩擦应力和泰勒常数，已通过步骤二中的2.1中测量或查找资料给出；因此，金属铝的割线杨氏模量和剪切模量可以表示为：
其中，上标“s”代表割线模量；Em和κm分别代表金属铝的杨氏模量和体模量，已在步骤一中的1.3中通过测量或者计算给出；
在大尺度均匀化问题中，整体纳米复合材料由石墨烯和损伤的金属铝材料构成，石墨烯由于其稳定性在测试范围内可以保持恒定的弹性性质；其弹性模量矩阵可写成：
Lg＝(2kg，lg，bg，2mg，2pg)(5)
其中，kg，lg，ng，mg和pg分别是其平面应变体积模量，横向模量，轴向应变下的轴向模量，横向剪切模量和轴向剪切模量，已在步骤一1.2中给出；此外，金属铝在产生渐进损伤后，体积发生改变；因此，损伤的金属铝在整体纳米复合材料的体积分数表达式为：
其中，cg是制备过程中石墨烯/金属铝纳米复合材料的石墨烯体积分数，已在步骤二中的2.1中给出；cv为孔隙率，已在方程(1)中给出。
5.根据权利要求4所述的预测石墨烯/铝纳米复合材料球磨相关拉伸强度的方法，其特征在于，所述步骤三中：石墨烯/金属铝纳米复合材料晶粒尺寸相关的渐进损伤过程热力学驱动力和演化方程，包括以下步骤：
随着拉伸载荷的增加，金属铝基质内出现渐进损伤现象，产生微小孔洞；渐进损伤过程的演化方程为：
其中，p和q为金属...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏晓东，罗建阳，王英，李显方，温伟斌，杜子健，赵世俊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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