CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28971

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

贾文斌¹^,²(), 方磊², 张根³, 史剑³, 何泽侃¹, 宣海军¹

^1.浙江大学能源工程学院，杭州 310027
^2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016
^3.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500

收稿日期:2023-05-08 修回日期:2023-06-02 接受日期:2023-07-11 出版日期:2024-04-15 发布日期:2023-07-14
通讯作者: 贾文斌 E-mail:jiawenbin@zju.edu.cn
基金资助:
国家资助博士后研究人员计划(GZC20232263);国家自然科学基金青年科学基金(52305165)

Optimal design of fracture toughness for CNT⁃epoxy composites

Wenbin JIA¹^,²(), Lei FANG², Gen ZHANG³, Jian SHI³, Zekan HE¹, Haijun XUAN¹

^1.College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China
^2.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^3.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China

Received:2023-05-08 Revised:2023-06-02 Accepted:2023-07-11 Online:2024-04-15 Published:2023-07-14
Contact: Wenbin JIA E-mail:jiawenbin@zju.edu.cn
Supported by:
Postdoctoral Fellowship Program of CPSF(GZC20232263);Young Scientist Fund of National Natural Science Foundation of China(52305165)

摘要/Abstract

摘要：

与碳纤维相比，碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度，是理想的树脂基复合材料增强相，在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理，制备出SENB试件进行断裂韧性实验，定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响，提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系；相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降，即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大；弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降；强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降；当断面的CNT拔出和拔断的占比相近（即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断）时断裂韧性最大。

关键词: 界面长度, 界面C—C键密度, CNT复合材料, 断裂韧性, 优化设计

Abstract:

Compared with carbon fiber， Carbon Nanotube （CNT） is the ideal reinforcement phase for the epoxy composites，which has higher mechanical properties and lower density and， the great potential application in the aerospace field. A processing scheme was proposed for the CNT-epoxy Single-Edge Notched Bend （SENB） specimens， and the measuring methods of microscopic structure and parameters were proposed. The fracture toughness tests were conducted on the SENB specimens with different MWCNT lengths and oxidation times. The effects of the interfacial length and interfacial C—C bond density on the fracture toughness were quantitatively analyzed， and the fracture toughness optimization scheme was proposed. The experimental results show that： the interfacial C—C bond density and ozone oxidation time of CNTs show linear relationship； the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the ozone oxidation time， and then decreases dramatically. This means that there exists a critical interfacial C—C bond density， where the relative fracture toughness enhancement rate reaches maximum； for the weak interface， the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the interfacial length， and then decreases slightly； for the strong interface， the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the interfacial length， and then decreases dramatically； the fracture toughness reaches maximum， when the amounts of CNT pullout and CNT fracture are approximately equal，which means that the fracture toughness reaches maximum under the transition condition of the failure mode from the CNT pullout to CNT fracture.

Key words: interfacial length, interfacial C—C bond density, CNT composites, fracture toughness, optimal design

中图分类号:

V258

贾文斌, 方磊, 张根, 史剑, 何泽侃, 宣海军. CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 428971-428971.

Wenbin JIA, Lei FANG, Gen ZHANG, Jian SHI, Zekan HE, Haijun XUAN. Optimal design of fracture toughness for CNT⁃epoxy composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(7): 428971-428971.

图/表 17

表1

图1

图2

图3

图4

图5

表2

临界应力强度因子和相对增韧率的实验值

试件编号	临界应力强度因子K_IC/（MPa·m^1/2）	相对增韧率 $Δ$ $K ˙$ /%
E0	0.85±0.02
S0	1.07±0.03	27
S1	1.21±0.03	42
S2	1.25±0.03	47
S3	1.32±0.03	56
S4	1.15±0.05	35
M0	1.18±0.02	39
M1	1.29±0.04	53
M2	1.36±0.03	60
M3	1.43±0.02	69
M4	1.21±0.05	42
L0	1.16±0.06	37
L1	1.28±0.05	52
L2	1.34±0.05	58
L3	1.39±0.06	64
L4	1.13±0.06	33

表2

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

参考文献 24

1	WENG J M， WEN W D， ZHANG H J. Multiaxial fatigue life prediction of composite materials［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2017， 30（3）： 1012-1020.
2	JIA W B， WEN W D， FANG L. Low-velocity impact and post-impact biaxial residual strength tests and simulations of composite laminates［J］. Composite Structures， 2020， 235： 111758.
3	JIA W B， WEN W D， FANG L. Damage initiation and propagation in composites subjected to low-velocity impact： Experimental results， 3D dynamic damage model， and FEM simulations［J］. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2019， 36（3）： 488-499.
4	李军，刘燕峰，倪洪江，等.航空发动机用树脂基复合材料应用进展与发展趋势［J］.材料工程，2022，50（6）：49-60.
	LI J， LIU Y F， NI H H， et al. Application progress and development trend of resin matrix composites for aero engine［J］. Journal of Materials Engineering， 2022， 50（6）： 49-60 （in Chinese）.
5	刘大响. 一代新材料，一代新型发动机：航空发动机的发展趋势及其对材料的需求［J］. 材料工程， 2017， 45（10）： 1-5.
	LIU D X. One generation of new material， one generation of new type engine： Development trend of aero-engine and its requirements for materials［J］. Journal of Materials Engineering， 2017， 45（10）： 1-5 （in Chinese）.
6	GAUR U， MILLER B. Microbond method for determination of the shear strength of a fiber/resin interface： Evaluation of experimental parameters［J］. Composites Science and Technology， 1989， 34（1）： 35-51.
7	GIANOLA D S， EBERL C. Micro- and nanoscale tensile testing of materials［J］. JOM， 2009， 61（3）： 24-35.
8	HUANG M Y， YAN H G， CHEN C Y， et al. Phonon softening and crystallographic orientation of strained graphene studied by Raman spectroscopy［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2009， 106（18）： 7304-7308.
9	陈玉丽，马勇，潘飞，等. 多尺度复合材料力学研究进展［J］. 固体力学学报， 2018， 39（1）： 1-68.
	CHEN Y L， MA Y， PAN F， et al. Research progress in multi-scale mechanics of composite materials［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2018， 39（1）： 1-68 （in Chinese）.
10	TANG L C， ZHANG H， HAN J H， et al. Fracture mechanisms of epoxy filled with ozone functionalized multi-wall carbon nanotubes［J］. Composites Science and Technology， 2011， 72（1）： 7-13.
11	TANG L C， ZHANG H， WU X P， et al. A novel failure analysis of multi-walled carbon nanotubes in epoxy matrix［J］. Polymer， 2011， 52（9）： 2070-2074.
12	CHEN Y L， LIU B， HE X Q， et al. Failure analysis and the optimal toughness design of carbon nanotube-reinforced composites［J］. Composites Science and Technology， 2010， 70（9）： 1360-1367.
13	亚斌. 碳纳米管增强复合材料的制备与力学性能研究［D］. 大连：大连理工大学， 2016.
	YA B. Research on the preparation and mechanical properties of carbon nanotubes reinforced composites［D］.Dalian： Dalian University of Technology， 2016 （in Chinese）.
14	施雪军，任一丹. 碳纳米管/环氧树脂复合材料的导热及力学性能［J］. 平顶山学院学报， 2020， 35（5）： 39-42.
	SHI X J， REN Y D. Thermal conductivity and mechanical properties of carbon nanotubes/epoxy resin composites［J］. Journal of Pingdingshan University， 2020， 35（5）： 39-42 （in Chinese）.
15	王卫芳，陆宝山，耿哲. 环氧树脂/石墨烯/多壁碳纳米管复合材料力学性能研究［J］. 塑料科技， 2019， 47（7）： 24-27.
	WANG W F， LU B S， GENG Z. Study on mechanical properties of EP/GNP/MWCNT composites［J］. Plastics Science and Technology， 2019， 47（7）： 24-27 （in Chinese）.
16	王颖，梅园，李颖，等. 表面改性对螺旋碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的影响［J］. 高分子材料科学与工程， 2018， 34（10）： 40-45.
	WANG Y， MEI Y， LI Y， et al. Effect of surface modification of helical carbon nanotubes on the mechanical properties of epoxy composites［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2018， 34（10）：40-45 （in Chinese）.
17	MA P C， SIDDIQUI N A， MAROM G， et al. Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites： A review［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2010， 41（10）： 1345-1367.
18	CHA J， KIM J， RYU S， et al. Comparison to mechanical properties of epoxy nanocomposites reinforced by functionalized carbon nanotubes and graphene nanoplatelets［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 162： 283-288.
19	DATSYUK V， KALYVA M， PAPAGELIS K， et al. Chemical oxidation of multiwalled carbon nanotubes［J］. Carbon， 2008， 46（6）： 833-840.
20	DEPLANCKE T， LAME O， BARRAU S， et al. Impact of carbon nanotube prelocalization on the ultra-low electrical percolation threshold and on the mechanical behavior of sintered UHMWPE-based nanocomposites［J］. Polymer， 2017， 111： 204-213.
21	VIET N V， WANG Q， KUO W S. Effective Young’s modulus of carbon nanotube/epoxy composites［J］. Composites Part B： Engineering， 2016， 94： 160-166.
22	WANG H， XIE G Y， FANG M H， et al. Mechanical reinforcement of graphene/poly（vinyl chloride） composites prepared by combining the in-situ suspension polymerization and melt-mixing methods［J］. Composites Part B： Engineering， 2017， 113： 278-284.
23	CHEN Y L， WANG S T， LIU B， et al. Effects of geometrical and mechanical properties of fiber and matrix on composite fracture toughness［J］. Composite Structures， 2015， 122： 496-506.
24	KINLOCH I A， SUHR J， LOU J， et al. Composites with carbon nanotubes and graphene： An outlook［J］. Science， 2018， 362（6414）： 547-553.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	王梓旭, 李攀, 鲁可, 朱振华, 陈仁良. 共轴刚性旋翼高速直升机配平策略优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529069-529069.
[2]	骆燕燕, 杨硕, 潘晓松, 赵绪怀, 张莉. 航空用高速连接器信号反射抑制与优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328937-328937.
[3]	戴今钊, 陈海昕. 流场波系引导的三维消波翼优化设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 628942-628942.
[4]	陈树生, 贾苜梁, 刘衍旭, 高正红, 向星皓. 变体飞行器变形方式及气动布局设计关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629595-629595.
[5]	王四季, 张羽薇, 黄开明, 吕彪, 赵海凤, 王虎, 廖明夫. 基于改进粒子群算法的直升机动力涡轮转子系统优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 228608-228608.
[6]	杨倩, 郑皓冉, 程显达, 董威. 基于引气控制的热气防冰优化设计方法[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729285-729285.
[7]	张卫红, 周涵, 李韶英, 朱继宏, 周璐. 航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 627428-627428.
[8]	陈艺夫, 马宇航, 蓝庆生, 孙卫平, 史亚云, 杨体浩, 白俊强. 基于多项式混沌法的翼型不确定性分析及梯度优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127446-127446.
[9]	赵欢, 高正红, 夏露. 基于新型高维代理模型的气动外形设计方法[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126924-126924.
[10]	刘超宇, 屈峰, 孙迪, 刘传振, 钱战森, 白俊强. 基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126664-126664.
[11]	包为民. 可重复使用运载火箭技术发展综述[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 629555-629555.
[12]	刘延宽, 袁航, 李顶河, 费宇杰. 热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 428507-428507.
[13]	何佳琦, 吴伟达, 罗阳军. 基于P-CS模型与数字孪生的星载天线反射器形面鲁棒性控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 328343-328343.
[14]	田洁华, 孙迪, 屈峰, 白俊强. 基于CST⁃GAN的翼型参数化方法[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128280-128280.
[15]	王晨, 杨洋, 沈星, 夏育颖. 用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526146-526146.

CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

Optimal design of fracture toughness for CNT⁃epoxy composites

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

材料	长度/μm	臭氧处理时间/min
S0-MWCNTs	2	0
S1-MWCNTs	2	15
S2-MWCNTs	2	30
S3-MWCNTs	2	60
S4-MWCNTs	2	120
M0-MWCNTs	10	0
M1-MWCNTs	10	15
M2-MWCNTs	10	30
M3-MWCNTs	10	60
M4-MWCNTs	10	120
L0-MWCNTs	30	0
L1-MWCNTs	30	15
L2-MWCNTs	30	30
L3-MWCNTs	30	60
L4-MWCNTs	30	120