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交聯對碳管網絡材料大變形力學行為的調控機理研究獲進展

2020-01-10 力學研究所
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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、先進復合材料等領域有著廣闊的應用前景。為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為的影響就是該領域一個關鍵科學問題。

  中國科學院力學研究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?;肿觿恿W模擬,對其在單軸拉伸、壓縮載荷下的大變形以及斷裂行為進行了系統研究,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為主;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導轉變為碳管拉伸主導,在更大的拉伸應變下,由于局部斷鍵,又轉變為碳管彎曲主導。而在壓縮載荷下,網絡材料的變形模式與交聯密度和壓縮應變均不相關,始終以碳管彎曲為主。進一步,研究發現存在另一臨界交聯密度值ρc2,使得碳管網絡材料從韌性斷裂轉變為脆性斷裂。該項研究可以為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。

  相關結果以Crosslink-tuned large-deformation behavior and fracture mode in buckypapers 為標題發表于國際學術期刊CarbonCarbon. 2020(159). 421-421),力學所博士生楊田為論文第一作者,副研究員王超、研究員武作兵為共同通訊作者。該項目得到國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的資助,計算模擬由呂梁超算中心提供支持。

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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,其中紅色為交聯。

打印 責任編輯:葉瑞優

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