单原子层氮化硼薄膜增强陶瓷基复合材料的力学增强机理及其结构设计

The ceramic matrix composite reinforced by two-dimensional material of boron nitride has attracted great attention due to its unique multi-functional properties. However, up to date, the study on the mechanical enhancement mechanisms and its structure designs is still at the initial stage. Therefore, the above-suspended key issue will be in-depth studied by the in-situ mechanical experiments combining with theoretical methods in this project. In detail, the tensile mechanical behaviors of monoatomic layer boron nitride thin film will be investigated. The mechanical parameters including fracture strength, toughness and Young’s modulus will be determined. The effect of lattice structure on mechanical behaviors and parameters will be revealed. The pull-shear failure between monoatomic layer boron nitride thin film and ceramic matrix will be investigated. The interfacial mechanical parameters including interfacial shearing strength and critical strain energy release rate will be determined. The key factors affecting interfacial enhancement will be revealed. A kind of monoatomic layer boron nitride thin film reinforced ceramic matrix laminated composite will be designed and prepared. And the corresponding tensile mechanical properties will be revealed. Based on above, a theoretical model for predicting tensile mechanical performances of this composite will be established. This project will lay experimental and theoretical foundation for further application of the composites reinforced by two-dimensional materials.

以氮化硼二维材料作为增强相的陶瓷基复合材料因其优异的多功能性质而受到广泛关注。然而目前为止，对于这类复合材料内部力学增强机理及其结构设计方面的研究尚处于初步阶段。因此，本项目拟采用原位力学实验与理论相结合的方法对上述有待解决的关键问题展开深入系统地研究。具体地，探究单原子层氮化硼薄膜拉伸力学行为，确定其断裂强度、断裂韧性、杨氏模量等拉伸力学参数，揭示晶格结构对拉伸力学行为和力学参数的影响规律；探究单原子层氮化硼薄膜与陶瓷基体之间的拉拔剪切失效力学行为，确定界面剪切强度和临界应变能释放率等界面力学参数，揭示影响界面力学增强的关键因素；设计并制备一种单原子层氮化硼薄膜增强陶瓷基铺层复合材料，揭示其拉伸力学性质，在此基础上，建立这种复合材料的拉伸力学性能理论预测模型。通过本课题研究，可以为二维材料增强复合材料的应用奠定实验和理论基础。

低维纳米材料拥有质轻、高比表面积以及优异的力学、电学、热学等多功能性质而被视为终极纳米增强体，广泛应用于高性能纳米复合材料，在航空航天、国防等高新技术领域扮演着关键角色。低维纳米材料自身力学性质及其与基体之间的界面力学性质直接决定着复合材料宏观力学性能，除此之外，以纳米材料为基础的跨尺度增强体结构设计被认为是充分发挥纳米材料力学性能并且实现复合材料多功能应用的有效途径。基于上述问题，在本项目中，采用原位力学测试技术实现了几种典型二维纳米材料的原位加载，量化了其力学性能，结合分子动力学模拟和连续力学理论揭示了拉伸断裂失效机制，以力学性能优异的碳纳米管、石墨烯为基础，设计了几种典型的跨尺度增强体，研究了这类跨尺度增强体及其复合材料的力学性质。详细研究内容及结果如下：. 测试获得了单原子层h-BN断裂韧性为8.7 MPa√m，其远高于其它二维材料，发现了h-BN固有的非对称边界引起的开裂裂纹偏转增韧机制；测试获得了COF薄膜拉伸断裂韧性、杨氏模量以及断裂韧性分别为0.75 GPa、10.38 GPa和0.55 MPa√m，揭示了新颖的缺陷不敏感断裂失效机制；量化了由一维硒原子链控制的二维硒纳米片各项异性力学性质。. 设计并制备了仿螺丝钉纳米增强体及其复合材料，揭示了复合材料由仿螺纹引起的机械啮合力学增强机制；量化了碳纳米管阵列增强碳化硅陶瓷基复合材料各向异性力学性质；设计并制备了不同排列程度的碳纳米管薄膜，揭示了碳纳米管排列程度对其力学性质的影响规律；设计了一种高性能分级螺旋碳纳米管纤维结构，揭示了其结构与力学性能之间的本构关系。. 设计并制备了一种带有空心球结构的混杂石墨烯薄膜，揭示了单个石墨烯空心球的压缩失效行为以及高速抗冲击力学性质，揭示了石墨烯片层之间的有效应力传递机制，制备了这种薄膜铺层复合材料，研究了这种复合材料力学性质。