[00141337]碳纳米结构及复合材料的力学性质研究

材料的特性取决于材料的原子结构和微观结构,通过纳米材料改善微纳观结构可显著改善材料力学性能。并且已有试验发现,随着材料尺寸的减小,微纳米材料的力学性质具有尺寸效应,传统的连续力学模型是否可以继续用来预测微纳米力学性质？建立准确的模型来预测尺寸效应是一个尚未完全解决的热点问题。 1.利用非局部连续介质力学研究了纳观结构力学问题的尺寸效应,首次用分子动力学研究了碳管中横波和扭转波问题,并首次验证了基于Eringen非局部理论的非局部壳体模型,给出了经典力学模型的适应范围和非局部力学模型中的反应尺寸效应参数的数值,计算结果得到了其他学者的验证。解决了非局部壳体模型应用的一些基本问题,为非局部壳体理论在碳纳米管的力学分析中的应用奠定了基础,得到的碳纳米管的力学性质为它的应用提供了重要的参考,有着重要的理论意义和工程应用价值。 2.研究了碳管的小尺寸效应对弯曲波频散关系产生的影响,结果显示,当频率很高时,经典的梁模型失效,非局部Timoshenko梁能更好的预测分子动力学结果,分子动力学首次发现当频率达到一定数值后,双壁碳管将出现非同轴振动,同时,申请者研究了碳管之间的范德华力对波传导的影响。 3.研究了碳管的振动问题,通过分子动力学模拟,得到了碳纳米管的固有振动频率,发现经典的梁模型已不能很好预测较短的碳管的固有振动频率,在这种情况下,只有非局部梁模型才能预测分子动力学结果,为碳管的应用提供了重要的理论依据。 4.碳锥也是一种很重要的结构,但是其动力学问题还没有进行研究,申请者研究了碳锥的振动问题,取得了突破性的进展,首次发现其固有振动频率要比具有同等长度和上底半径的碳管还要高,同时建立了变截面梁模型,发现Timoshenko梁模型能够很好的预测分子动力学结果。深入的研究了碳锥的几何性质对其固有频率的影响,奠定了对碳锥动力学性质的进一步研究和应用的基础。研究结果将发表在杂志Carbon上。 5.申请者利用剪切滞后模型研究了碳纳米管增强复合材料的界面应力传递规律,建立了碳纳米管与基体接触界面不完全粘结的剪切滞后模型,并将模型结果和已有文献的数值结果进行了对比,验证了建立的模型。 6.运用弱形式求积元法结合分区混合能量原理,采用Fortran语言编写了计算I型,II型,I/II混合型以及III型裂纹尖端的应力强度因子以及Williams展开式高阶项系数的程序。利用该程序得到了含裂纹矩形板、三点弯曲梁等多种经典模型的裂纹尖端应力强度因子以及Williams 展开式高阶项系数,分析了相关参数对计算结果的影响,给出了建议值。 申请者在微纳观力学方面的连续力学建模和数值计算方面解决了几个基本的力学问题,得到了专家学者的关注（美国工程院院士：YG Huang,JN Reddy,新加坡工程院院士：CM Wang,加拿大皇家科学院院士：Q Wang。XQ Feng,TZh Zhang,WQ Chen等）。研究成果主要发表在Journal of the Mechanics and Physics of Solids（固体力学顶级期刊）,Journal of Applied Physics,Journal of Nanoscience and Nanotechnology,Carbon（SCI一区）等顶级期刊上,已发表SCI论文10篇,EI论文2篇,总的被引用次数为400余次,他引390余次,单篇被引用次数最高为190余次,是该杂志JMPS统计五年引用次数排名前5的论文,是Essential Science Indicators数据库的高被引论文,H因子（h-index）为9（Google学术统计）