碳纳米管共价连接网络与自组装纤维的力学行为分析

碳纳米管集合体是以碳纳米管为基本构件的宏观结构，有望在宏观尺度上充分发挥碳纳米管的优异力学特性。碳纳米管集合体的发展将促进碳纳米管在高性能复合材料与多功能器件等方面的应用。本论文研究了碳纳米管共价连接网络和碳纳米管纤维等碳纳米管集合体的拉伸力学行为，包括以下三个方面：碳纳米管集合体的拉伸模量和极限载荷等力学性能；碳纳米管集合体的宏观变形与微观结构演变之间的关联；碳纳米管集合体复合材料的有效力学性能。主要研究内容如下：(1)采用包含了键断裂的Morse函数描述碳-碳共价键拉伸势能，根据能量等效原理，获得可表征碳-碳共价键的非线性梁的宏观结构力学参数，提出了推广的分子结构力学方法。建立了超级石墨烯、超级四边形和超级碳纳米管等碳纳米管共价连接网络材料的分子结构力学模型，研究了它们在准静态近似条件下的拉伸变形与破坏行为，预测了碳纳米管共价连接网络的拉伸模量、泊松比、极限载荷等宏观力学性能，并分析了连接形式、网络尺寸等几何参数对力学性能的影响。(2)建立了碳纳米管共价连接网络复合材料的二维和三维细观力学模型，采用二尺度均匀化方法计算了复合材料的各向有效刚度系数和杨氏模量。分析了网络代表体元的臂长、臂间夹角等网络几何参数对复合材料有效刚度系数的影响。(3)基于碳纳米管与聚合物间VdW力，构建了超级石墨烯和超级碳纳米管与聚合物基体间界面相互作用的内聚力模型，描述界面应力与位移的关系。而且，分析了碳纳米管网络的尺寸对界面应力强度的影响。(4)对单壁碳纳米管和双壁碳纳米管的全原子分子动力学模型进行基于形状的粗粒化，通过与全原子模拟结果比较，构建了表征其拉伸能、弯曲能和管间VdW势能的粗粒化力场。建立了多层级碳纳米管薄膜的粗粒化分子动力学模型，并模拟加捻过程得到碳纳米管纤维的分子动力学模型。对碳纳米管薄膜和纤维进行单调拉伸及循环拉伸测试，观察微观结构演变与能量变化，分析碳纳米管薄膜和纤维获得高强度的机理。分析了碳纳米管轴向排列方式及弯曲、缠绕结构等对纤维强度、模量及破坏形式的影响。研究了拉伸应变率对碳纳米管纤维拉伸强度、拉伸模型和破坏形式的影响。