本科毕业论文--碳纳米管对玻璃纤维复合材料高周疲劳寿命的延长

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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：附件C：译文碳纳米管对玻璃纤维复合材料高周疲劳寿命的延长ChristopherSGrimmer,CKHDharan(BerkeleyCompositesLaboratory,UniversityofCalifornia,5135EtcheverryHall,Berkeley,CA94720-1740,USA)文章摘要：现阶段的研究成果表明，在基体材料中加入一些小体积的多壁型碳纳米管（CNTs）会显著延长材料的高周疲

2、劳寿命。这表明，碳纳米管往往能抑制正在形成中的纳米级损伤区所引起的大裂缝造成的形变。此外，连接在纳米级断裂处的纳米管的破裂和纳米管被拉出基体时的能量吸收机制能延长疲劳寿命。我们列出一个能量模型来评估疲劳中附加的应变能。分散在基体中的纳米管不仅仅能分散损伤，也能抑制损伤的扩散，这使得玻璃纤维复合材料的疲劳寿命得到了全面显著的提高。关键词：玻璃纤维；复合材料；碳纳米管；疲劳；应变能1、引言玻璃纤维复合材料具有高强度，低成本，但是疲劳寿命不长。玻璃纤维复合材料的高周疲劳失效潜在机制主要是基体损伤的积累和增长，

3、这些损伤合并传播至玻璃纤维导致最终的失效。先前对于连续均质玻璃纤维复合材料的疲劳研究表明高周疲劳寿命是由基体中疲劳断裂持续扩散和纤维断裂主导的。一旦大量纤维断裂，复合层压板将很快失效。与高模碳纤维复合材料不同，在被施加高应变的基体中的低模玻璃纤维易引起基体的疲劳失效[1-3]。在这些研究中，失效被定义为一个工作循环次数，当达到这个循环次数时刚度达到规定的损失。近期失效理论的评论会被列在参考文献中[4]。C15重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文刚度的降低作为复合材料的损伤指标，已经被广泛研究

4、的理论和实践所采纳。然而，裂纹扩展和由此产生的刚度降低只是复合材料损伤的一个综合指标。损伤可以在微观水平裂纹的萌生和微裂纹发生聚并前产生。其他的研究都集中在测量复合材料中裂纹扩散引起的断裂能量，特别是在一种被称为层间断裂的常见的失效模型中[5]。这些研究表明，一个单一的在复合材料基体或者在基体和纤维界面处的扩散的裂纹，将会伴随低能量级的断裂能的吸收。在典型的复合材料层合板设计中，板材将被设计成能承受循环条件下的结构载荷，碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料相比，承受的负载循环时失效的情况会少一些。对于碳纤维

5、复合材料有较少的失效率的解释是：高模量的碳纤维使得基体上的受到相对较低水准的循环应变。在基体上临界基体疲劳应变的相应复合应力被定义为复合材料的疲劳失效的临界参数[2]。在玻璃纤维复合材料中，在基体上许用循环应变要超过纯树脂材料相应的疲劳应变，然而一些高模复合材料，如，碳纤维复合材料，基体的许用循环应变要比这个临界值低。因此，碳纤维复合材料不常在循环作业中出现性能降低的情况，被公认为具有良好的疲劳强度。这解释了最近的研究中导向绳状纳米管增强环氧树脂复合材料具有高模量的原因[6]。其他一些碳纳米管对于聚合物

6、基体断裂影响的研究中表明，添加少量（0.1wt%~0.2wt%）的碳纳米管使聚合物的断裂韧性增加40%。微观形貌观察显示，位于基体的高密度纳米级断裂是由基体断裂韧性的改善引起的。在这项工作中，碳纳米管在静态和循环荷载作用进行了研究，提出了一个观察到的行为机制作用下结构复合材料的寿命的影响。在传统的复合材料层合板的损伤机制，包括形成在基体微裂纹的启动和循环荷载作用下的传播，最终导致纤维失效和断裂的复合。碳纳米管的加入可降低损伤机制的大小导致在吸收应变能通过大量的细小纳米尺度裂缝的产生增加几个数量级的规模。

7、此外，纤维桥接在纳米尺度的增加能量吸收通过纳米管在断裂过程中的参与。这个效果应该提高了复合材料的损伤容限和使它更耐循环荷载作用下的损伤增长。一种基于能量的模型被提出，试图描述碳纳米管/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳行为。我们已经将热固性树脂（环氧树脂）含有均匀分布的纳米纤维聚合物（CNTs）为常规的玻璃纤维聚合物复合材料。我们最近的研究已经确定，这些树脂具有相对均匀的纤维分布在聚合物与小团聚合物[8]。含有碳纳米管的复合系统，静态和循环荷载下，通过扫描电子显微镜显示相应的断裂表面失效模式表明，这里提出的失效

8、机理研究。2、实验过程2.1材料准备C15重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文环氧树脂和固化剂分别为826和Epikure3234，都产自Hexion化工集团有限公司（Houston,Texas,USA）。混入1wt%多壁碳纳米管的EPON826树脂由Nanoledge公司（clapiers，France）提供。1wt%目前碳纳米管负载水平被选定为足以改变复合材料的力学行为的指标[7，9]，同时不会由于聚合物的粘度增加降低可塑性