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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
先进复合材料是国民经济与国防建设具有竞争优势的源泉。随着科学技术的进步，复合材料取得突飞猛进的发展。目前，以碳纤维（CF）增强的树脂基复合材料为代表的先进复合材料以其重量轻、力学性能优异、结构应用效率高在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。然而，用碳纳米管（CNT）纤维增强的复合材料被认为是新一代的先进复合材料。与碳纤维复合材料（CFRP）相比，具有密度更低，强度和模量更高，兼具电、热、磁等优异功能特性，引起了国内外的高度重视。所谓碳纳米纤维是将碳纳米管沿单一方向有序排列形成的宏观丝束。众所周知，碳纳米管是迄今为止强度和模量最高的轻质材料。因此，开展连续碳纳米管纤维及其复合材料的技术基础研究具有重要的理论意义与实用价值。本文首先针对CNT纤维的连续制备技术开展了研究，基于阵列纺丝方法，系统地考察了连续CNT纤维制备过程中对其性能影响的两大因素：工艺参数与本征结构参数；揭示了管壁数、纤维直径、捻角、CNT弯曲程度等对CNT纤维力学性能的影响规律，发现CNT纤维力学性能随捻角变化呈现双峰特性；明确了可获得最佳纺丝效果的拉伸与加捻速度之比，提出了欲获得力学性能优异的纤维，CNT应具有少壁、超长、高取向等特性，这为制备纤维纺丝阵列指明了发展方向。这一成果为CNT纤维纺丝工艺优化与稳定连续制备提供了理论与实验指导。为了提高纤维的性能，发展了在管间浸入溶剂与聚合物、以及高温碳化等增强技术。在大量实验的基础上，深入系统地对比分析了纤维内CNT间分别浸入不同溶剂与聚合物对CNT纤维力学的增强效果与作用机制。研究表明，在阵列纺丝中溶剂浸润可有效地使CNT纤维致密化，从而可普遍提高强度300-500 MPa。聚合物引入不仅可使纤维致密化，而且管间界面粘结性能增强，使纤维强度进一步提高。特别是采用PI和BMI作为管间增强剂，纤维强度可突破2.0 GPa，最高可稳定达到2.3 GPa，模量也达110 GPa。在此基础上，进而考察了CNT纤维/树脂界面结构特性，首次采用动态模量成像法表征与分析了CNT纤维/树脂界面形貌与界面厚度。实验发现，CNT纤维/树脂和CF/树脂的界面均呈现出不均匀的“河流状”形貌，并且界面厚度均在百纳米的量级；与CF/树脂体系相比，CNT纤维/树脂界面形貌更为不规则，界面厚度更大，这与加捻CNT纤维的表面形貌和树脂浸入CNT纤维表层有关。研究表明，CNT纤维/树脂界面相由损耗模量表征，而CF/树脂界面相则由储能模量表征更为合适。为进一步考察CNT纤维/树脂界面粘结特性，建立与完善了一套单纤维复合体系多次断裂法试验系统，规范了相关试验条件与操作参数，解决了制样中脆性纤维易断等技术难题，保证纤维预加张力定量可控和试样间固化状态同一性。进而运用该方法研究了不同类型CNT纤维/树脂界面粘结强度与破坏特征，并与CF/树脂界面粘结性能和破坏特征进行了对比分析。实验表明，CNT纤维自身结构、纤维加捻角度及树脂浸润固化状态等均对CNT纤维/树脂界面粘结性能产生影响；CNT纤维断裂时断点数随应变增加，其增速呈现先快后慢特点，最终饱和断点数要远大于CF/树脂复合体系断点数。这说明CNT纤维在界面载荷传递上与CF有差异。同时，在CNT纤维与CF混杂复合体系断裂破坏特征研究开展了有意义的创新性探索。最后，在大量单纤维复合体系多次断裂试验的基础上，从理论的角度进一步考察纤维断裂时的应力分布状态，以便更好地对比分析CNT纤维与CF的断裂特征，基于Abaqus软件发展了单纤维/树脂复合体系断裂过程数值模拟方法，实现了其在拉伸载荷作用下应力传递过程的数值模拟。运用该模拟方法，考察了单一CNT纤维/树脂复合体系纤维断裂特性与断口应力分布状态，并与单一CF/树脂复合体系断裂过程特征进行了对比分析。数值模拟表明，与CF/树脂体系相比，CNT纤维/树脂单纤维复合体系的断点数更多，基体剪切变形更大；CNT纤维性能提高，断点数减少；所计算的结果与实验结果能够比较好的吻合，所建立的数值模拟方法有望用于CNT纤维复合材料力学性能的预测与分析。 本文研究的CNT纤维及其复合体系是一种新兴材料，尽管研究工作是初步的，但其研究结果对掌握和设计高性能CNT纤维及复合材料增强技术有非常重要的指导意义。 |
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发表于 2022-5-16 19:48:15
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