碳纳米管集合体及其复合材料力学

内容简介：

  本书系统地介绍了作者近几年在碳纳米管集合体及其复合材料力学方面的研究成果。全书分为两部分，共13章，主要介绍采用多尺度力学理论和微纳米力学实验方法，研究碳纳米管集合体的力学行为和碳纳米管纤维增强复合材料的力学性能。本书力求为读者提供本领域研究的全景式概貌和研究进展。
  本书可供力学、物理和材料科学领域相关科研人员和研究生参考。

目录

序
前言
第1章  绪论 1
1.1  CNT的原子结构特征与力学性能 1
1.1.1  直型CNT 2
1.1.2  异型CNT 4
1.2  CNT/聚合物复合材料 5
1.2.1  CNT/聚合物复合材料的力学性能 5
1.2.2  CNT/聚合物界面结合和应力传递 6
1.3  CNT集合体 7
1.3.1  CNT共价连接网络 8
1.3.2  CNT薄膜 9
1.3.3  CNT纤维 11
1.4  本书的主要内容和结构 14
参考文献 15
第2章  CNT集合体的研究方法 24
2.1  经典分子动力学方法 24
2.1.1  基本方程 25
2.1.2  势能函数 26
2.1.3  系综 27
2.1.4  分子动力学的模拟过程与程序 28
2.2  分子结构力学方法 29
2.3  粗粒化分子动力学方法 31
参考文献 35
第3章  CNT共价连接平面网络的变形及破坏行为 37
3.1  推广的分子结构力学方法 37
3.2  共价连接平面网络结构的构建 39
3.3  超级石墨烯的拉伸变形与破坏行为 40
3.4  超级四边形的拉伸变形与破坏行为 46
3.5  超级CNT的力学行为分析 52
本章小结 58
参考文献 59
第4章  三维CNT纳米结构及其力学性能 60
4.1  引言 60
4.2  轴向连接三维纳米结构的构建 61
4.2.1  CNT代表单元体的组装 61
4.2.2  利用性原理验证结构的稳定性 65
4.2.3  潜在应用 66
4.2.4  模拟过程和条件 66
4.3  轴向连接三维纳米结构的力学性能 68
4.3.1  轴向连接三维纳米结构的拉伸性能 68
4.3.2  轴向连接三维纳米结构的压缩性能 69
4.4  径向连接三维纳米结构 72
4.5  径向连接三维纳米结构的力学性能 74
4.5.1  径向连接三维纳米结构的拉伸性能 74
4.5.2  径向连接三维纳米结构的压缩性能 76
本章小结 78
参考文献 79
第5章  SWNT纤维的拉伸变形及破坏行为 83
5.1  SWNT粗粒化力场 84
5.2  轴向排布方式对SWNT纤维拉伸行为的影响 85
5.2.1  SWNT薄膜CGMD模型 85
5.2.2  SWNT纤维加捻过程模拟 85
5.2.3  拉伸载荷下的应力-应变关系 86
5.2.4  管间相互作用力对纤维强度的影响 89
5.2.5  微观结构演变 89
5.3  缠绕对SWNT纤维力学行为的影响 90
5.3.1  SWNT薄膜CGMD模型 90
5.3.2  SWNT纤维加捻过程模拟 93
5.3.3  SWNT薄膜的拉伸变形与破坏行为 93
5.3.4  SWNT薄膜的微观结构与能量演变 95
5.3.5  SWNT薄膜内应力分布 98
5.3.6  SWNT纤维的承载能力 99
5.3.7  SWNT纤维的微观结构与能量演变 100
本章小结 102
参考文献 102
第6章  坍塌CNT纤维的力学性能 104
6.1  CDWNT纤维多层级结构特征 104
6.2  CDWNT纤维粗粒化模型 105
6.2.1  CDWNT的粗粒化模型与力场参数 106
6.2.2  CDWNT纤维的粗粒化分子动力学计算模型 106
6.3  轴向单调拉伸载荷下的变形与破坏行为 107
6.4  循环加载下的变形与破坏行为 111
6.5  CNT弯曲分支的作用 112
本章小结 113
参考文献 113
第7章  CNT纤维宏观拉伸性能的实验研究 115
7.1  引言 115
7.2  微拉伸测试仪 116
7.3  试样制备 118
7.4  单次加载测试 119
7.5  循环加载测试 124
本章小结 126
参考文献 126
第8章  微纳米复合材料力学的分析方法 128
8.1  界面内聚力模型 128
8.2  内聚力有限元法 131
8.3  界面内聚力单元的使用 133
8.4  二尺度展开法 134
8.4.1  位移场的展开 135
8.4.2  弹性细观结构基本方程 136
8.4.3  细观结构的有效性能 137
8.4.4  变分形式 138
8.4.5  有限元公式 139
本章小结 140
参考文献 140
第9章  CNT纤维/聚合物界面性能的微滴实验与模拟 142
9.1  引言 142
9.2  CNT纤维微滴包埋实验方法 143
9.2.1  试样制备与实验装置 143
9.2.2  测试结果分析 144
9.3  微滴包埋实验的有限元模拟 147
9.4  计算结果与讨论 148
9.4.1  微滴脱粘行为 148
9.4.2  内聚力参数的影响 149
9.4.3  热残余应力的影响 152
本章小结 155
参考文献 155
第10章  CNT复合材料的界面破坏行为 158
10.1  连续CNT复合材料的力学模型 158
10.2  界面性能对复合材料横向性能的影响 160
10.3  非连续CNT排列方式对界面破坏方式的影响 161
10.3.1  CNT在基体中的排列方式和分析模型 161
10.3.2  CNT排列方式对界面破坏性能的影响 162
10.4  界面强度对CNT复合材料破坏方式的影响 165
10.4.1  强界面强度的CNT复合材料破坏方式 166
10.4.2  弱界面强度的CNT复合材料破坏方式 168
10.5  基体微裂纹对CNT复合材料力学性能的影响 170
本章小结 173
参考文献 173
第11章  碳-铜复合材料界面裂纹的分子动力学研究 175
11.1  引言 175
11.2  碳-铜复合材料模型和计算条件 176
11.3  界面裂纹的分子动力学模拟 176
11.3.1  右端自由情况下的界面裂纹模拟 176
11.3.2  右端固定情况下的界面裂纹模拟 180
11.3.3  与内聚力有限元结果对比 182
本章小结 184
参考文献 184
第12章  CNT共价连接网络复合材料的力学性能 187
12.1  二维CNT网络复合材料 187
12.1.1  细观力学模型 187
12.1.2  有效刚度系数 188
12.1.3  局部应力分布 191
12.2  三维网络CNT复合材料的有效力学性能 193
12.2.1  细观力学模型 193
12.2.2  有效刚度系数 194
12.3  CNT网络/聚合物间范德华相互作用力和内聚力模型 197
12.3.1  超级CNT/石墨烯间范德华相互作用力和内聚力模型 198
12.3.2  超级CNT/聚合物间范德华相互作用力和内聚力模型 202
本章小结 206
参考文献 206
第13章  大变形条件下均匀化方法及其应用 208
13.1  有限变形的基本理论 208
13.1.1  物质描述法与空间描述法 208
13.1.2  功共轭的应力-应变关系 210
13.2  超弹性模型的有限元法 212
13.2.1  超弹性模型中运动学参量的离散 212
13.2.2  平衡方程的离散 214
13.3  大变形条件下均匀化方法的基本理论 216
13.3.1  大变形条件下的虚功方程 216
13.3.2  宏观位移和细观位移 216
13.3.3  大变形条件下的均匀化方程 218
13.4  有限变形有限元程序 220
13.5  纤维增强树脂基复合材料的超弹性模型及变形分析 220
13.5.1  单丝纤维增强树脂基复合材料的超弹性模型及变形分析 221
13.5.2  纤维束增强树脂基复合材料的超弹性模型及变形分析 225
本章小结 228
参考文献 229

前言

  以碳纳米管（CNT）为基本单元，通过原子间共价连接可形成各种各样的空间结构，如超级石墨烯、超级碳纳米管等；或者通过纺捻可制成CNT纤维，包括由多根纤维形成的束或丝。这些CNT的集合体性能优良，易于应用。利用CNT集合体增强的复合材料是新型高性能和多功能的多层级非均匀材料。
  近年来，作者一直从事非均匀材料的多尺度力学和智能材料的多场耦合力学研究，在CNT集合体及其复合材料的力学性能研究方面，取得了一些有价值的研究成果。本书是作者在该领域研究工作的系统总结，主要包括两部分：部分是CNT集合体的力学行为研究，包括以CNT为单元构建的三维纳米结构、超级CNT、超级石墨烯和CNT纤维力学行为的理论与实验研究；第二部分是CNT纤维增强复合材料的力学性能研究，主要以理论和实验方法研究复合材料界面性能以及复合材料宏观力学性能。
  本书由杨庆生、刘夏和郭士军共同撰写，由杨庆生进行全书的统稿和定稿工作。本书的主要工作是历届研究生刘夏、郭士军和刘健、苏罗丹、李熙等在本领域内持续研究工作的积累，部分章节是在他们的学位论文基础上整理而成。在本课题的研究中，得到了香港城市大学何小桥博士的真诚帮助与长期合作。中国复合材料学会理事长杜善义院士欣然为本书作序。在本书的编辑阶段，研究生李涛和李想进行了细致的编排。作者在此一并表示衷心感谢。
  本书的研究工作得到国家自然科学基金的持续资助，特此致谢。

                                                               杨庆生      
                                                              2014年6月      
                                                             北京工业大学