基于力电原位测量的碳纳米管复合材料动态力-电-热耦合特征研究

The applications of the polymer-matrix nanocomposites are further extended and deepened especially with the reinforcement of conductive nanoparticles. The design and development for the multi-functional composites largely depend on the fundamental studies on the mech-elect coupling characteristics, which also means great to the investigation of deformation mechanism of composites. Furthermore, the potential application under explosive and impact loads, also pushes the in-situ investigations of mech-elect characteristics of materials.. Thus in this project, the fundamental investigations are conducted for the mechanical behaviors and the electrical characteristics based on the epoxy-matrix composites with carbon nanotube reinforced. Firstly, the in-situ measurement system is developed for accurately obtaining electrical characteristics of composites under mechanical loadings. Then the systematical-designed experiments are carried out with wide strain rates and different temperatures, by the Instron machines for the quasi-static loading, and the split Hopkinson pressure bar for the dynamic loading. Then the conductivity dependence of composites is obtained on the strain, strain rate, temperature and ambient humidity. The similar experiments are also carried out on the composites with different fractions of carbon nanotube reinforced and the pure epoxy, to probe into the coupling effect of mech-elect-heat and mechanisms. The results also facilitate to propose the deformation mechanism and damage evolution for the epoxy at some mechanical characteristics after well combining with the counterpart mechanical behaviors of the epoxy.

导电纳米颗粒的添加扩展和深化了聚合物基复合材料的应用，研究相关复合材料在变形过程中的实时力-电学特征对智能材料开发、变形机理研究都具有重要得科学和工程意义。而潜在的动态高应变率加载下的应用使材料的电力耦合实时原位研究更具科学性。. 本项目以碳纳米管增强环氧树脂复合材料为对象，对材料的力学和电学特征开展基础研究。首先开发基于力学加载下的试样电阻原位测试系统，并结合准静态试验机和分离式Hopkinson杆加载系统开展碳纳米管增强复合材料在不同应变率、不同温度下力-电信息实时原位测试研究。依据复合材料电导率变化特征，探究复合材料电导率对应变、应变率、温度和环境湿度的依赖性。开展不同含量碳纳米管增强复合材料的系统实验研究复合材料在力-电-热响应特征和作用机理，并结合基体材料在相应载荷下的力学响应，为材料在不同力学特征处的变形机理和损伤演化机制研究提供实验支持。

随着能源危机，轻质高强多功能复合材料的应用越来越广，也越来越深入和多功能化。作为航空航天以及民用运输领域，环氧树脂作为碳纤维增强复合材料的不可或缺的材料，其力学响应、增强增韧机理以及多功能的力电耦合相应特征和机理的研究具有重要的理论和工程应用意义。 项目以导电纳米颗粒的添加扩展和深化了聚合物基复合材料的应用，研究相关复合材料在变形过程中的实时力-电学特征对智能材料开发、变形机理研究都具有重要得科学和工程意义。而且潜在的动态高应变率加载下的应用使材料的电力耦合实时原位研究更具科学性。. 本项目以碳纳米管增强环氧树脂复合材料为对象，对材料的力学和电学特征开展系列研究。首先开发基于力学加载下的试样电阻原位测试系统，通过相关碳纳米颗粒增强环氧树脂复合材料的力电耦合测试试验证实了该技术的可行性以及高精度。并结合准静态试验机和分离式Hopkinson杆加载系统开展碳纳米管增强复合材料在不同应变率、不同温度下力-电信息实时原位测试研究，发现环氧树脂材料在压缩加载下，材料的变形机理在峰值应力处发生突变，结合分子链网络结构以及碳纳米颗粒导电网络推演可知分子链交联点的断裂是其主要原因。另外依据复合材料电导率变化特征，探究复合材料电导率对应变、应变率、温度和环境湿度的依赖性。并开展不同含量碳纳米管增强复合材料的系统实验研究复合材料在力-电-热响应特征和作用机理，并提出了环氧树脂材料在不同力学特征处的变形机理和损伤演化机制。