拉伸载荷下的碳纳米管/氧化石墨烯界面剪切失效机理研究

A multi-sacle hybrid composite composed of carbon nanotubes and graphene or graphene-oxide has attracted great attention due to its unique structures and excellent mechanical, electronic and thermal properties, etc. The interface between them plays a critical role in the mechanical properties of this composite, however, so far the studies on this interface is superficial, limiting the developments of this composite. Therefore, the present project will be focused on the interface between the sidewall of a single carbon nanotube and a single piece of multi-layer graphene-oxide. The in-situ tensile testing combined with molecular simulation will be employed to study the constitutive relation of interfacial shear failure under tensile load, interfacial shear strength and maximum interfacial failure load. Meanwhile, the effect of interfacial geometry parameters including diameters and overlap lengths of carbon nanotubes and structural characteristics of carbon nanotubes and graphene oxide including chirality and wall-thickness of carbon nanotubes and thickness and oxidation contents of graphene oxide on the constitutive relation of interfacial failure, interfacial shear strength and maximum interfacial failure load will be studied. By the studies of this project, there will be an in-depth understanding on the mechanical characteristics of this new composite,laying the foundations for the establishement of mechanical evaluation system and its applications.

由碳纳米管与石墨烯或氧化石墨烯组装而成的多尺度混杂复合材料因其独特的结构以及优异的力、电、热学等性能而受到广泛关注。它们之间所形成的界面在这类复合材料的力学性质方面扮演着关键角色，然而，目前为止对这种界面剪切失效机理的研究尚处于初步阶段，限制了这类材料的发展。因此，本课题以单根碳纳米管的侧壁与单片多层氧化石墨烯所成界面为研究对象，采用原位拉伸测试结合分子模拟研究拉伸载荷下界面剪切失效本构关系、界面剪切强度以及最大界面失效载荷。与此同时，研究界面几何参数(碳纳米管直径和搭接长度)以及碳纳米管与氧化石墨烯结构特征(碳纳米管手性与壁厚、氧化石墨烯厚度和氧化含量)对界面失效本构关系、界面剪切强度以及最大界面失效载荷的影响规律，进而揭示界面剪切失效机理。通过本课题的研究，可以深入的认识这一类新型复合材料的力学特征，为力学评价体系的建立及其应用奠定基础。

近些年，通过不同的制备工艺将碳纳米管、石墨烯组装成一系列多尺度材料(纤维、膜以及气凝胶)引起了科研工作者极大的兴趣。这类材料拥有独特的结构以及优异的力、电、热学等性能，在航空航天及其它高科技领域展现出了巨大的应用潜力。然而目前为止，对于这类材料的力学增强机理及其多尺度复合材料的多功能性质方面的研究尚处于初步阶段。因此，本文采用实验与理论相结合的方法对上述亟待解决的问题进行了深入系统的研究，从而为这类多尺度材料的应用奠定基础。. 采用分子模拟方法对碳纳米管以及石墨烯进行结构设计，并且对其拉伸力学性质进行了深入研究。一方面，通过拉花剪裁工艺获得了带有可回复超大拉伸应变的纳米管结构（最大拉伸应变可达250%），另一方面，揭示了类石墨烯结构与其力学性质之间的关联性。. 采用原位力学实验与分子模拟和有限元分析相结合的方法研究了碳纳米管搭接界面的剪切与剥离力学行为，揭示了剪切与剥离失效机理。发现了剪切破坏过程中的连续滑移摩擦机制，定量地确定了碳纳米管端部之间的作用强度为21 MPa；发现了剥离破坏过程中碳纳米管由凹型到拱形的形状过渡机制，揭示了这一形变机制对剥离力学行为的影响规律。. 采用实验与理论相结合的方法揭示了碳纳米管与石墨烯搭接界面的剪切失效机理。研究结果表明由于碳纳米管与石墨烯的周期结构而导致剪切载荷-位移曲线呈现周期趋势，通过在界面处引入共价键或者官能团，可以有效地提高界面载荷传递能力，另一方面，发现碳纳米管与石墨烯的有效接触面积与石墨烯尺寸和表面官能团密度有着紧密的联系。. 以上述研究为基础，制备了碳纳米管膜基础的结构功能性复合材料，并且对其多功能性质进行了研究。研究结果表明排列完好的碳纳米管膜通过管间的有效应力传递可以同时提高材料的强度和韧性；另一方面，发现这种复合材料拥有明显的力电各向异性性质，基于这一性质，设计了一种可以应用于人工皮肤的方向传感器。