（凝聚态物理专业论文）cntsaz91d复合材料热力学有限元分析.pdf

f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e r m o d y n a m i c so fc n t s a z 91d c o m p o s i t em a t e r i a l s b y z h a n gh u j u n b s ( h e x iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s i nt h e s c h o o lo fs c i e n c e o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iw 色i x u e j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 杈叫呼 日期：沙脾月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 认叫军 聊签名：力似 日期：弘f 序 日期：沙1 年 月百日 6 月7 日 f 摘要 a b s t r a c t j 】 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 传统金属资源趋于枯竭，镁资源前景广阔1 1 1 2 我国大力支持镁材料的开发和应用1 1 2 课题的研究现状2 1 2 1 碳纳米管( c n t s ) 研究现状及其热力学性能2 1 2 2c n t s m g 基复合材料的研究现状及其热力学性能4 1 2 3 有限元分析( f e a ) 方法在材料科学与工程中的应用现状6 1 3 课题的研究内容和和创新之处9 第二章有限元热力分析的基本理论和a n s y s 软件1 1 2 1 有限元方法简介1 1 2 1 1 有限元法的基本思想1 2 2 1 2 有限元法分析问题的基本步骤1 2 2 2 有限元热力分析的基本理论1 4 2 2 1 传热学经典理论1 4 2 2 2 热传递的三种方式1 5 2 2 3 稳态热分析和瞬态热分析1 6 2 3a n s y s 软件介绍1 7 2 3 1c a e 的优越性及其发展1 7 2 3 2a n s y s 软件的发展及其构成1 8 2 3 3a n s y s 软件的分析功能1 9 第三章n _ c n t s a z 9 1 d 复合材料热残余应力的有限元分析2 2 3 1 实验基础2 2 3 2 有限元模型的建立与求解2 3 3 2 1 过滤分析选项2 3 3 2 2 选择单元类型和材料模型2 4 3 2 3 建立n i - c n t s a z g l d 复合材料的1 8 有限元模型2 5 t c n t s a z 9 1 d 复合材料热力学有限元分析 3 2 4 施加约束和载荷 3 3 模拟结果与讨论 3 3 1 复合材料中热残余应力的分布 3 3 2 镀层厚度对界面上的热残余应力的影响3 2 3 4 本章结论一3 3 第四章a z 9 1d 板材热拉深的有限元分析3 4 4 1 实验基础3 4 4 1 1 不同温度时a z 9 1 d 材料应力应变曲线的测试3 4 4 1 2a z 9 1 d 镁合金的强度系数k 和硬化指数3 5 4 1 3a z 9 1 d 镁合金不同温度下的弹性模量e 3 5 4 2 有限元模型的建立和计算3 6 4 2 1 有限元模型的建立3 6 4 2 2 加载与求解3 7 4 3 模拟结果与分析3 8 4 3 1 成形温度和压边力对极限拉深深度的影响3 8 4 3 2 成形温度和压边力对板料最大减薄率的影响4 0 4 3 3a z 9 1 d 镁合金板材热拉深过程最佳温度和压边力的确定4 l 4 4 本章结论4 3 总结4 5 参考文献4 7 致谢5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文5 5 硕士学位论文 摘要 有限元方法己广泛应用于机械、电子、建筑、冶金、航空航天等各个领域，在材料 学领域，有限元法可以对材料的变形、应变硬化和断裂过程进行详尽的分析与模拟，并 且可以较好地反映增强体的形状、分布状态、基体一增强体的界面状态、热残余应力及 各种外界因素( 如加载方式、变形温度等) 对材料性能的影响，同时还可获得材料变形 过程中的相关信息，如外加载荷的分配，弹性、塑性变形区的发展及应力、应变的分布 等。因此利用有限元法进行模拟研究可以节约材料开发成本，预测材料性能。 本文简要介绍了国内外碳纳米管( c n t s ) 镁基复合材料的研究背景和研究现状，在国 内外对碳纳米管( c n t s ) 镁基复合材料的研究的基础上，利用有限元法分析了镀镍碳纳米 管增强a z 9 1 d 镁基复合材料( n i c n l 彰a z 9 1 d ) 的镀镍层厚度对材料热残余应力的影 响，研究了a z 9 1 d 镁合金材料的拉深成形过程中温度和压边力的影响。 在实验基础上，首先建立不同n i 层厚度时n i c n t s a z 9 1 d 复合材料的有限元模型 的三维有限元模型，运用热一应力耦合分析方法模拟镀有不同厚度n i 层的 n i c n t s a z 9 1 d 镁基复合材料中的热残余应力分布，研究了n i 层厚度与 n i c n t s a z 9 1 d 复合材料中热残余应力的关系。发现在碳纳米管表面镀镍能够明显降低 n i c n t s a z 9 1 d 复合材料中的热残余应力；在n i c n t s a z 9 1 d 复合材料中，热残余应 力在n i 层厚度为6n m 时最小，n i 层厚度由2n i l l 增加到6n m 时，热残余应力随着n i 层厚度的增加而减小；当n i 层厚度超过6n m 时热残余应力随着n i 层厚度的增加而增 大。对于铸造a z 9 1 d 镁合金材料，在试验的基础上，采用先进的显式动力学有限元方 法模拟了a z 9 1 d 镁合金板材在不同变形温度和压边力条件下的成形情况。进而研究不 同条件下a z 9 1 d 镁合金板材的拉深成形性能，研究发现a z 9 1 d 镁合金板材热拉深成形 的适宜温度为2 5 0 。c ；对于厚度为l m m 的a z 9 1 d 板材，热拉深成形的适宜压边力为5 8 k n 。 研究获得了n i c n t s a z 9 1 d 复合材料中的最佳镍层镀覆厚度和a z 9 1 d 镁合金板材 拉深成形的最佳工艺参数，为制备性能更加优良的n i c n t s a z 9 1 d 复合材料和镁合金 板材拉深成形提供了指导。以期能够指导生产实践，减少人力和物力的耗费。 关键词：镁基复合材料；碳纳米管；有限元分析( f 队) ：热残余应力；热拉深 p r o c e s so f m a t e r i a l ，s u c ha sd e f o r m a t i o n , s t u nh a r d e n i n g ，丘a c 嘁p r o c e s s ，e t e ，b u ta l s oc a n r e f l e c tt h e a f f e c t i o no fi n t e r n a la n de x t e r n a lf a c t o r so nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s u c ha s r e i n f o r c e m e n t ss h a p ea n dd i s t r i b u t i o n , m a t r i x - r e i n f o r c e m e n ti n t e r f a c es t a t e ，t h e r m a lr e s i d u a l s t r e s s ，a p p l i e dl o a d , d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，e t c a tt h es a m et i m e ，r e s e a r c h e r sc a l lg e t 谢o u si n f o r m a t i o no fm a t e r i a ld e f o r m a t i o np r o c e s sb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，s u c ha s t h ed i s t r i b u t i o no fa p p l i e dl o a d ，v a r i a t i o no fe l a s t i ca n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ea n dt h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n t h e r e f o r e ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fm a t e r i a l sc a ns a v e d e v e l o p m e n tc o s t sa n dp r e d i c tm a t e r i a lp r o p e r t i e s a tf i r s t ，t h i ss t u d yb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hb a c k g r o u n d a b o u tc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，m a d eas u m m a r ya b o u tt h e r e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o na n dt h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) a n dc n t s m a g n e s i u mc o m p o s i t e sa n dd e s c r i b e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n da p p l i c a t i o no ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sf l e a ) o nm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g w h a t sm o r e ，b a s e do n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d yo fc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ， i n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fn i - c o a t i n gt h i c k n e s so nt h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si na z 9 1d m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t er e i n f o r c e d 谢t l ln ic o a t e dc a r b o nn a n o t u b e s ( n i - c n t s a z 9 1d ) ， a n dr e s e a r c h e de f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n db l a n kh o l d e rf o r c eo nw a r md e e p - d r a w i n g p e r f o r m a n c eo f t h ea z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y i no r d e rt oe x p l o r et h ei n f l u e n c eo fn i c o a t i n gt h i c k n e s s0 1 1t h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si n n i c n t s a z 91d c o m p o s i t e ，w ef i r s t l ye s t a b l i s h e dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f n i - c n t s a z 91d c o m p o s i t eb a s e do ne x p e r i m e n t s ，a n dt h e ns i m u l a t e dt h e r m a lr e s i d u a ls t r e s s d i s t r i b u t i o ni nn i - c n t s a z 91d c o m p o s i t ea td i f f e r e n tn i c o a t i n gt h i c k n e s s 、析mh e a t - s t r e s s c o u p l i n ga n a l y s i sm e t h o df o rd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn i - c o a t i n gt h i c k n e s sa n d t h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si nt h ec o m p o s i t e s f o rt h en i c n t s a z 91d c o m p o s i t em a t e r i a l s ，t h e 硕士学位论文 t h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sa c h i e v et h em i n i n l u i na tt h et h i c k n e s so f n i - c o a t i n gi s6n l n w h i l et h e t h i c k n e s so fn i c o a t i n gi sv a r y i n g 劬m2 n mt o6 n m ，t h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si sd i m i n i s h e d w i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so fn i c o a t i n g w h i l et h et h i c k n e s so fn i - c o a t i n gi sl a r g e r t h a n6 n m ，t h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si n c r e a s e s 谢mi n c r e a s i n go ft h et h i c k n e s so fn i - c o a t i n g m o r e o v e r , t h el o c a t i o no ft h e r m a lr e s i d u a ls t r e s s sm a x i n l u n lm o v e st o w a r dt h ei n t e r f a c eo f n i c o a t i n ga n ds u b s t r a t ew i t hi n c r e a s i n go f t h et h i c k n e s so fn i c o a t i n g b a s e do ne x p e r i m e n t s ， t h i ss t u d ys i m u l a t e dt h ef o r m i n gp r o c e s sf o ra z 9 1dm a g n e s i u ma l l o ys h e e tu n d e rd i f f e r e n t d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n db l a n kh o l d e rf o r c ec o n d i t i o n sb ya d v a n c e de x p l i c i td y n a m i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n ds t u d yd e 印一d r a w i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec n t s a z 91dc o m p o s i t e u n d e rd i f f e r e n tf o r m i n gt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tb l a n kh o l d e rf o r c ec o n d i t i o n s s t u d yf o u n d t h a tt h eo p t i m u mf o r m i n gt e m p e r a t u r ei s2 5 0 。cf o ra z 9 1 ds h e e t t h i sp a p e re x p l o r e dt h eb e s tn i - c o a t i n gt h i c k n e s so fn i - c n t s a z 91dc o m p o s i t ea n dt h e o p t i m a lw a r md e e p d r a w i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o ra z g l dm a g n e s i u ma l l o ys h e e tb a s e do i l f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t op r o v i d eg u i d a n c ef o rf o r m a t i o no fn i c n t s a z 91dc o m p o s i t e 谢mm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，a n dw a r md e e p d r a w i n go fa z 91dm a g n e s i u ma l l o y a n d h o p et or e d u c et h ec o s to fh u m a na n d m a t e r i a lr e g o l i r ? 圮$ k e y w o r d s ：m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ；c a r b o nn a n o t u b e s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ； t h e r m a lr e s i d u a ls t r e s s ；w a r md e 印- d r a w i n g i l i 硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀 下匕 1 1 课题的研究背景 1 1 1 传统金属资源趋于枯竭，镁资源前景广阔 进入2 1 世纪，资源和环境的匮乏已成为人类可持续发展的首要问题。随着科学技 术的飞速发展，致使生产工艺开始大规模化，从而使得金属材料的消耗急剧上升，地球 表壳的金属资源日趋贫化。据国际镁工业协会( i m a ) 预算，铜、铅、锌等金属只能维持 几十年，有些金属( 如铝、铁) 也只能维持1 0 0 - 3 0 0 年【l 捌。而镁在地壳中的储量非常 丰富，储量居第6 位仅次于铝和铁；盐湖及海洋中镁资源的含量也十分可观，如海水中 镁含量达o 1 3 。中国的镁资源储量居世界首位，目前已经探明的菱镁矿石储量3 0 0 9 亿吨，约占世界探明储量的2 5 。镁合金材料被誉为是2 1 世纪绿色金属结构材料，广 泛运用于汽车、摩托车、机械、航空、航海、国防等领域。金属镁的需求量每年以2 0 的速度快速增长。而目前镁作为轻质工程材料，其潜力尚未被充分挖掘出来，对其的开 发利用技术也远不如钢铁、铜、铝等成熟。因此，在许多传统金属矿产资源趋于枯竭的 今天，加速发掘镁合金的应用潜能，不仅能够满足工业上对镁金属的利用需要，而且对 社会和资源的可持续发展具有重要的战略意义。 1 1 2 我国大力支持镁材料的开发和应用 为贯彻落实国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，加强轻质高 强金属材料的研究开发与应用，科学技术部已将“镁及镁合金关键技术开发与应用 项 目列入“十一五 国家科技支撑计划。该项目的总体目标为：集成“十五”国家相关科 技成果，坚持原始创新与集成创新并重的原则，针对镁产业链中资源、能源、环境等存 在的薄弱环节，围绕制约镁合金应用范围扩大的若干技术瓶颈，以镁合金材料研究和加 工成型技术为重点，结合汽车动力系统和结构件的应用需求，开展高性能镁合金、低成 本变形加工技术、复杂镁合金铸件成型技术、原镁和合金生产过程的节能环保等技术研 究，通过产、学、研联合科技攻关，构建镁及镁合金产业技术创新的企业联盟，促进镁 及镁合金产业协调、可持续发展。“镁及镁合金关键技术开发与应用”项目总投入2 6 亿元。该项目聚集了企业、高校和科研院所的5 1 个单位共7 0 0 多位科技人员参加，经过 c n t s a z 9 1 d 复合材料热力学有限元分析 近3 年的努力，全面完成了各项研究任务，针对我国镁产业链存在的薄弱环节，集中突破 了“双蓄热高温燃烧与余热利用集成技术”、“镁合金大坯锭电磁铸造技术 、“镁合金板 材连续铸轧及成卷轧制技术”、“镁合金快速挤压及中空薄壁大型材挤压技术 、“镁合金 大型砂型铸造技术、“镁合金集成应用技术、“镁合金镀膜和焊接技术 及“镁合金特 种成型技术”等多项关键技术，使镁合金制备和应用水平上了一个新台阶。项目在突破 关键技术的同时，建成产业化示范基地1 8 个，产业化中试线及生产线3 7 条，形成了年产 连铸轧板带3 0 0 0 吨，挤压型材5 0 0 0 吨和汽车用压铸件4 0 0 万件的生产能力，为镁合金材 料的扩大应用奠定了坚实基础。 在新出台的中国自行车行业“十二五 规划中，镁合金材料推广应用被列为重 大技术创新专项，明确提出要扩大镁合金等轻合金在整车及零部件的应用，以提升产品 的质量和档次。目前每年一亿辆自行车和电动自行车的产业规模，为新材料的推广和应 用提供了很好的市场机遇。现在镁合金材料已经走过了概念产品的阶段，进入了市场摸 索阶段，有广阔的发展空间。作为实用金属中最轻的金属，镁合金已被自行车产业所采 用，已达到轻量化的目的。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 碳纳米管( c n t s ) 研究现状及其热力学性能 碳纳米管是在1 9 9 1 年1 月由日本物理学家n j i m a 使用高分辨率分析电镜从电弧法 生产的碳纤维中发现的。碳纳米管是一种管状碳分子，管上每个碳原子采取s p 2 杂化， 相互之间以c c o 键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。 每个碳原子上未参与杂化的一对p 电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭兀电子 云。这些圆柱形的碳分子新颖的结构决定碳纳米管具有非凡的力学性能，电性能和热性 能，使得碳纳米管在纳米技术、电子、光学、材料科学、建筑等领域有着独特的应用潜 质。 碳纳米管在半径方向上非常细，只有纳米尺度，而在轴向则可长达数十到数百微米， 目前清华大学纳米技术研究中心的科研人员用化学气相沉积( c v d ) 法已经制备出轴向 长度达到1 8 5e m 的单壁碳纳米管( s i n g l e w a l l e dn a n o t u b e s ，s w n t ) ，其长径比达到 1 3 2 0 0 0 0 0 0 ：1 1 3 1 。 碳纳米管按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管( s i n g l e w a l l e dn a n o t u b e s ，s w n t s ) 和多壁碳纳米管( m u l t i w a l l e dn a n o t u b e s ，m w n t s ) ，图1 1 是碳纳米管的高分辨电子显 2 硕士学位论文 微镜照片刚。单壁碳纳米管是由一个单层的石墨片卷积而成，根据石墨片的卷曲方式不 同，可把s w c n t 分为扶手椅( a r m c h a i r ) 型s w c n t 、锯齿( z i g z a g ) 型s w c n t 和手 性( c h i r a l ) 型s w c n t 。而多壁碳纳米管我们可以看作是有很多个单壁碳纳米管同心叠 套而形成的独特结构，多壁碳纳米管的层间距大概为0 3 4 n m 与石墨的两层之间的距离 大致一样。 图1 1 碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右依次为s w n t s ，m w n t s ( 包含2 层、3 层、4 层 石墨片层) f i g 1 1h i g h r 6 s o i u t i o ne i e c t r o nm i c r o g r a p ho fc a r b o nn a n o t u b e s 常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法( 碳 氢气体热解法) ，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。 在目前所有材料中，碳纳米管的拉伸强度和弹性模量是最大的。2 0 0 0 年，y um i n f c n g 等人测得多壁碳纳米管的拉伸强度为6 3 g p a 5 1 。而碳纳米管的密度仅为1 3 1 4g c m 3 【6 】， 其比强度可达4 8 0 0 0 k n m k g ，而高碳钢的比强度仅为1 5 4 k n m k g 一。表1 1 是碳纳 米管力学性能的比较( 其中上标t 表示理论预测值，e 表示实验测量值) ，表中碳纳米 管的性能均为轴向力学性能，其径向力学性能远远小于轴向性能，2 0 1 1 年佛罗里达国际 大学的学者使用原子力显微镜( a f m ) 对单壁炭纳米管的测量表明其径向杨氏模量仅有 几个到数十个吉帕 7 1 。 碳纳米管具有良好的传热性能，c n t s 具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向 的热交换性能很高，而垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合 成高各向异性的热传导材料。实验测得单壁碳纳米管在室温下其轴向热导率为3 5 0 0 w ( m k ) 【1 5 】，约为铜的l o 倍；室温下径向热导率为1 5 2w ( m k ) 【1 6 1 ，跟土壤的热导 率相近。多壁碳纳米管的轴向热导率也超过3 5 0 0w ( m k ) 【1 刀。碳纳米管受其几何形状 的限制，垂直于管轴的膨胀几乎为零。碳纳米管的管壁与石墨基面相似，也应呈同样的 c n t s a z 9 1 d 复合材料热力学有限元分析 化学惰性，结构完整的碳纳米管在真空中温度小于2 8 0 0 ( 2 或在大气中温度小于7 5 0 ( 2 时 都能稳定存在【1 8 1 。理论计算表明：单壁碳纳米管热导率随温度的增加先增大，达到最大 值后再以丁- 1 的关系下降；热导率约与管长的1 2 次方成正比，随着管长的增加，热导 率增长的速度逐渐降低，但始终不为零；在相同管长和温度下，管径小的碳纳米管比管 径大的具有更高的热导率【1 9 1 。 表1 1 各种碳纳米管的力学性能比较睁伽 t a bie 1 1 c o m p a r is o no fm e c h a nic ai p r o p e r t ie so fc a r b o nn a n o t u b e s 8 。1 4 1 e l o n g a t i o na tb r e a k m a t e r i a l ( g p a ) ( ) y o u n g sm o d u l u s t e n s i l es t r e n g t h ( 1 1 p a ) s 、v n t 1 ( f r o m1t o5 ) 1 3 5 3 e 1 6 a r m c h a i rs 侩盯0 9 4 t1 2 6 2 t2 3 1 z i g z a gs w n t 0 9 4 t9 4 5 t 1 5 6 一1 7 5 c h i r a ls ，n to 9 2 h 嗄仆i t0 8 e 加9 5 e6 3 e , 15 0 e 1 2 2c n t s m g 基复合材料的研究现状及其热力学性能 复合材料是材料科学技术发展到一定阶段的产物，是指由两种或两种以上性质不同 的材料，通过某种工艺手段组合而成的复合体。概括来说，复合材料是由两组分构成： 一组份为连续相( 称为基体) ，另一组份是以一定的形态分布于基体中的分散相( 称为 增强体) 。如果增强体的尺寸达到纳米级，如纳米颗粒、纳米晶须、纳米纤维等，就称 其为纳米复合材料【2 0 j 。由于各组份材料的协同作用，故复合材料具有单一材料无法比拟 的优异性能，如强度高、刚度大、重量轻等优良特性，并且可根据使用条件的要求进行 设计和制造，以满足不同特殊用途使用的需要。 碳纳米管具有的特殊性能决定了其是制备复合材料的理想添加物。碳纳米管复合材 料的研究主要集中在以下几个方面：l 、利用碳纳米管的中空结构、比表面积大等特性， 以其为载体合成新型的具有独特结构的一维纳米复合材料【2 1 2 2 1 ；2 、利用碳纳米管自身 优异的力学性能，将其作为增强体改善基体材料的力学性能。碳纳米管作为增强体可以 与金属、聚合物、陶瓷等构成复合材料，或在表面形成复合涂层 2 3 - 2 6 。3 、利用碳纳米 管优良的储氢性能是制备储氢材料的首选材料【2 7 】。 目前国际上对镁基复合材料的研究较为活跃，中国、美国、德国、加拿大、英国等 4 硕士学位论文 国家都展开了有关镁基复合材料方面的研究工作，目前这些研究工作主要集中在材料组 成、界面反应、制备及合成工艺和材料结构及性能等方面。镁基复合材料主要由镁合金 基体、增强体和增强体与基体间的接触面构成。增强体要选择力学性能优良、与基体相 容性好，润湿性好的材料，另外增强体与基体之间的界面反应量要适当。制各复合材料 常用的增强相主要有a 1 2 0 3 纤维、碳纤维、碳纳米管( 吣) 、s i c 晶须和颗粒、，n 纤 维等网。长纤维增强金属基复合材料性能优良，但造价昂贵，不利于大规模工业发展。 颗粒或晶须等非连续体增强金属基复合材料具有各向同性，有利于进行结构设计，可以 二次加工成型，并具有高强度、硬度大、尺寸稳定性好等优良性能，因而日益引起人们 的重视。碳纤维和碳纳米管具有优越的力学性能和极低的密度，是制备镁基复合材料最 理想的增强体之一。连续碳纤维复合材料具有更高的比强度、比刚度和抗热变形性能力。 非连续纤维复合材料虽然有些性能不如连续碳纤维增强的金属基复合材料，但其制造成 本，成型加工性能都有明显的优势。 目前，国内外已报道的制备碳纳米管增强镁基复合材料的方法主要有：粉末冶金法 和搅拌铸造法。粉末冶金法制备碳纳米管镁基复合材料，可以比较容易地解决碳纳米管 的分散问题，但是冷压成型过程中需要的压力比较大，毛坯的质量很难稳定控制；采用 热压烧结的方法可以大大降低成型压力，同时制备的复合材料内部缺陷也较少。搅拌铸 造法是制备颗粒或晶须增强金属基复合材料的常用方法。该方法设备简单、生产效率高； 但是搅拌铸造法制备的复合材料中气孔较多，增强相分布不均匀。由于镁容易氧化，不 管是用粉末冶金法还是搅拌铸造制备碳纳米管增强镁基复合材料，防止镁基体氧化是一 个很关键的问题【2 9 】。 在碳纳米管增强镁基复合材料中，虽然c 与纯镁不反应，但却与镁合金中的a 1 、 l i 等反应，生成a 1 4 c 3 、l i 2 c 2 化合物，严重损伤碳纳米管【3 0 】，降低增强效果。采用搅 拌铸造法制备碳纳米管( c n t s ) 增强镁基复合材料时，对c n t s 表面进行涂覆处理，可提 高增强体和基体间的润湿性，同时阻止基体中的舢和c 的反应，避免生成a 1 4 c 3 ，防 止c n t s 的损伤。碳纳米管增强镁基复合材料中，c n t s 的分散及其和基体的结合力强 弱是影响c n t s 增强效果的关键因素【3 l 】。 袁秋红等人【3 2 】以氩气为保护气氛，采用搅拌铸造法制备出了c n t s z m 5 镁合金复合 材料，并测试了样品的高温拉伸性能，结果表明：复合材料具有良好的高温拉伸性能， 温度为4 7 3k 时，在l m m m i n 的拉伸速率下其抗拉强度可达117 6 5 m p a ，比基体提高 了2 0 ；在高温条件下c n t s z m 5 复合材料的断裂形貌主要由韧窝和撕裂棱所组成。杨 益【3 3 】等人研究了c n t s m g 复合材料的导热性能和热膨胀性能，研究发现复合材料致密 5 c n t s a z 9 1 d 复合材料热力学有限元分析 度对材料的热传导系数有很大的影响，致密的c n t s m g 复合材料样品的热传导系数为 9 6 8w ( m k ) ，比热压纯镁样品的热传导系数较低；对c n t s m g 复合材料在3 0 * ( 2 - - 4 0 0 温度区间内的热膨胀性能进行测试，发现c n t s m g 复合材料在3 0 - - , 5 0 ( 2i 又 间的热膨胀 系数为2 5 0 2 x1 0 弧，5 0 2 0 0 区间的热膨胀系数为2 6 1 2 x1 0 6 i ( 。而纯镁在2 7 ( 2 时 的热膨胀系数为2 5 0x10 - 6 k 。 1 2 3 有限元分析( f e a ) 方法在材料科学与工程中的应用现状 有限元分析方法是基于连续介质理论的一种普遍适用的方法，连续介质理论是广泛 应用于物体宏观力学行为分析的一种理论，它认为物质是连续分布的。目前连续介质理 论已经大量应用在微纳观问题的研究当中，很多计算结果都得到了实验和分子动力学方 法的验证，成为研究纳米材料的重要工具刚，连续介质模型已经成功地用于模拟碳纳米 管的力学性能【3 5 1 。近年来随着计算机的计算速度不断提高，计算材料学也得到了长足发 展。从理论上讲，有限元法可以对材料的变形、应变硬化和断裂过程进行详尽的模拟与 分析 3 6 - 3 羽，并且可以较好地反映增强体的形状、分布状态、体积分数、长径比，基体 增强体的界面状态，基体微观结构，热残余应力及各种外界因素如加载方式、变形温度 对材料性能的影响。同时还可获得有关材料变形过程中的多方面信息，如外加载荷的分 配，弹性、塑性变形区的发展及应力、应变的分布等。在实际生产以及工程应用中，有 限元方法已经在机械、电子、建筑、冶金、航空航天等各个领域广泛应用 3 9 - 4 1 1 。由于有 限元方法在解决复杂的工程问题有着良好的效果，在辅助分析、辅助设计、产品质量预 报等多方面有着不可替代的作用。 1 2 3 1 有限元分析在复合材料热残余应力研究中的应用 1 2 3 1 1 热残余应力的产生与影响因素 复合材料中热残余应力的产生与松弛行为是目前热学行为研究的一个重要问题，热 残余应力是由复合材料中各组分的热膨胀系数( c t e ) 不匹配而引起的，热残余应力的 存在对材料尺寸稳定性有较大的影响【4 2 4 3 1 。由于基体和增强体的热膨胀系数不同，因此 当复合材料从高温冷却至较低温度时，就会在增强体和基体间产生热错配应力，当热错 配应力低于基体的屈服应力时，这种热错配应力将以热残余应力的形式保存下来；如果 热错配应力超过基体的屈服应力，这种热错配应力会以基体发生塑性变形的方式释放出 来，在增强体周围的基体中产生高密度的位错，从而造成微观残余应力的产生 4 4 1 。 6 硕士学位论文 通常认为金属基复合材料的热残余应力产生需具备以下两个条件，首先是增强体与 基体金属之间的界面结合良好，这是复合材料中产生热残余应力的必要条件；其次，温 度变化是金属基复合材料产生热残余应力的直接因素。由于在不同温度条件下，材料的 热膨胀变形不一样，具有不同的屈服行为，使得金属基复合材料中各部分有不同的塑性 变形行为，从而在复合材料中产生了热残余应力【4 5 】。 复合材料的界面状态、温度变化、热膨胀系数的差异、增强体的长径比及体积分数 等是影响残余应力大小的几个关键因素。l e d b e t t e r 和a u s t i n 等人脚】认为较小的温度变 化便能产生较大的内应力。权高峰等人【4 7 】对球形颗粒增强复合材料中的微观热应力和残 余应力进行了弹塑性分析计算，结果表明单程变温造成的微观热应力和残余应力的绝对 值沿径向按指数或对数规律减小，其大小和分布取决于基体屈服强度、增强体和基体的 线膨胀系数差以及增强体的体积分数；受热或冷却时基体的屈服首先发生在界面处，并 逐渐向基体内部扩展。马志军【4 8 】对钛基复合材料的热应力进行了数值模拟研究，发现材 料性能参数恒定时，基体材料热膨胀系数对热残余应力分布影响最大。 1 2 3 1 2 有限元分析在复合材料热残余应力研究中的应用 复合材料中热残余应力的理论分析多集中在长纤维增强的复合材料方面，这是因为 长纤维的形状相对简单；能用来分析短纤维及颗粒增强的金属基复合材料中热残余应力 的模型主要是e s h e l b y 模型，该模型提供了解决三维弹性状态问题最简单的方法，因而 最适用于短纤维增强的复合材料系列1 4 9 】。 邹晋【5 0 】采用无压渗透法制备了s i c p z l l 0 1 复合材料，利用有限元法对复合材料中 热残余应力分布进行了模拟，讨论了颗粒体积分数、颗粒形貌以及冷却速度对 s i c p z l l 0 1 复合材料中热残余应力的影响；同时采用x r d 测量了复合材料内部的残 余应力，同模拟结果进行了对比( 如表1 2 所示) 。应力测试结果同有限元模拟结果数值 有一定差异，但总体上在同一数量级。 b o u c h i k h ia b o u b a k a rs e d d i l 【5