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1、复 合 材 料 学 报第 28卷?第 1期?2 月?2011年A cta M ateriae Compositae SinicaVol?28No?1February2011文章编号:1000-3851(2011)01-0166-06收到初稿日期:2010-01-22;收到修改稿日期:2010-05-14基金项目:国家自然科学基金面上项目(50873047);甘肃省科技计划(1010RJZA045)通讯作者:李维学,教授,主要从事纳米复合材料方面的研究?E?mail:lwx 碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析李维学*1,2,张胡军1,戴剑锋1,2,王?青1(1.兰州理工大学 理学院,
2、兰州 730050;2.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050)摘?要:?为了探寻 Ni 层厚度对镀镍碳纳米管增强 AZ91D 镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响,在实验基础上,建立不同 Ni层厚度时 Ni-CNT s/AZ91D 复合材料的有限元模型,模拟了 Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现:在碳纳米管表面镀镍能够明显降低 Ni-CNT s/AZ91D 复合材料中的热残余应力。Ni-CNT s/AZ91D 复合材料中,热残余应力在 Ni 层厚度为 6 nm 时最小;Ni 层厚度由 2 nm 增至6
3、nm 时,热残余应力随着 Ni 层厚度的增加而减小;当 Ni层厚度超过 6 nm 时热残余应力随着 Ni 层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面 Ni 层厚度的增加向 Ni层与基体的界面移动。关键词:?热残余应力;碳纳米管;镁基复合材料;镍层厚度;有限元中图分类号:?TB332;O346.1?文献标志码:?AFinite element analysis of thermal residual stresses in magnesiummatrix composite reinforced by carbon nanotubesLI Weixue*1,2,ZHANG H
4、ujun1,DAI Jianfeng1,2,WANG Qing1(1.School of Science,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non?ferrous Metal Materials,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)Abstract:?In order to explore the influence of Ni?coating thickness on
5、 the thermal residual stress in AZ91Dmagnesium matrix composite reinforced with Ni coated carbon nanotubes(Ni-CNTs/AZ91D),the distribution ofthe thermal residual stresses in Ni-CNT s/AZ91D composite was simulated by using finite element method(FEM)based on some experiments.The results indicate that
6、plating Ni on CNT s?surface can greatly reduce the thermalresidual stress of Ni-CNTs/AZ91D.For the Ni-CNTs/AZ91D composite materials,the thermal residual stressachieves the minimum at the thickness of Ni?coating is 6nm.While the thickness of Ni?coating is varying from 2nmto 6 nm,the thermal residual
7、 stress is diminished with the increase of the thickness of Ni?coating.Once thethickness of Ni?coating is larger than 6 nm,the thermal residual stress increases with increasing the thickness ofNi?coating.Moreover,the location of thermal residual stress?s maximum moves toward the interface of Ni?coat
8、ingand substrate with increasing of the thickness of Ni?coating.Keywords:?thermal residual stresses;carbon nanotubes;magnesium matrix composite;Ni coating thickness;finite element?碳纳米管(CNTs)增强镁基复合材料由于其极低的密度、优良的物理和力学性能成为通信、汽车、电子和航空航天等高科技领域最具有潜力的材料,是复合材料领域研究的热点之一。在复合材料中由于各组分热膨胀系数(CTE)不匹配引起的热残余应力 1对复合材
9、料的性能有很大的影响 2-3。Bouchikhi Aboubakar Seddik 4用有限元方法研究了碳纤维/环氧树脂复合材料中热残余应力的分布情况,发现热残余应力随着碳纤维含量的增加而减小。邢永明等 5用三维光弹性实验应力分析和有限元计算 2 种方法,研究了拉拔载荷和热残余应力联合作用下纤维拔出树脂基复合材料三维冻结切片界面剪应力,发现在纤维与基体界面的埋入端及埋入末端附近出现界面残余剪应力的极值。高庆等 6用弹塑性有限元分析法研究了短纤维增强金属基复合材料在不同温度下界面热残余应力的大小和分布情况。此外,运用连续介质理论研究微/纳观问题已经取得了不少成果,目前连续介质模型已经成功地用于模
10、拟碳纳米管的力学性能 7-8,很多计算结果都得到了实验和分子动力学方法的验证,成为研究碳纳米管的重要工具 9。目前,对于碳纳米管(CNTs)镁基复合材料的研究大部分是用实验的方法测定复合材料的物理性能和力学性能,再与基体材料的性能做比较。研究 10-11发现,CNT s 镀镍能够极大地改善 CNT s与镁基体之间的润湿性,镀镍碳纳米管增强的镁基复合材料具有更好的力学性能。对 CNTs 镁基复合材料中的热残余应力的研究报道甚少。本文作者在实验基础上,建立 Ni-CNTs/AZ91D 镁基复合材料的三维有限元模型,用有限元法模拟了镀有不同厚度 Ni 层的 CNT s 增强 AZ91D 镁基复合材料
11、(简记为 Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的分布。在此基础上研究了 Ni 层厚度与 Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的关系,探寻最佳镍层镀覆厚度,为制备性能更加优良的 Ni-CNTs/AZ91D复合材料提供指导。1?材料特性Ni-CNT s/AZ91D 复合材料由增强体 CNT s、Ni 层和基体 AZ91D 镁合金构成,其中 Ni-CNTs的质量分数为 1.0%。在有限元分析中,碳纳米管采用正交各向异性弹性材料本构模型,具体参数如表 1 所示(其中下标 T 和 A 分别表示径向和轴向);Ni 包覆层用各向同性弹性材料模型描述,参数如表 2 所示。基体 AZ91D 用与时
12、间无关的各向同性弹塑性材料模型描述,具体参数如表 3 所示。表 1?计算所用碳纳米管的性能参数 12-16Table 1?Properties of CNTs used in the model12-16Density/(g?cm-3)Young?s modulus/GPaPoisson?s ratioShear modulus/GPaCoefficient of thermalex pansion/(10-6?-1)ETEA?T?AGTGA?T?ACNTs1.3510010000.250.21150000?Note:T and A represent radial and axial res
13、pectively.表 2?计算所用 Ni 层的性能参数17Table 2?Properties of Ni used in the model 17Density/(g?cm-3)Young?s modulus/GPaPoisson?s ratioShear modulus/GPaCoefficient of thermalex pansion/(10-6?-1)Ni8.882070.317613.1表 3?所用的 AZ91D镁合金的性能参数 17-19T able 3?Properties of AZ91D magnesium alloy used in the model17-19Tem
14、perature/?Poisson?s ratioYoung?s modulus/GPaYield stress/M PaCoefficient of thermalex pansion/(10-6?-1)250.354516226.11000.353515629.21500.352612029.32000.35175430.02500.35104831.53000.3583126.63500.356.51026.4?167?李维学,等:碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析?图 1 为 Ni-CNT s/AZ91D 复合材料拉伸端口的 SEM 照片。从图 1 可以看出,CNT s 从
15、基体中拔出,并且 CNT s 表面包覆着厚厚的一层基体材料,可见镀镍的 CNTs 与基体之间结合很好,因此在模型中设定 CNT s 和 Ni 层之间、Ni 层(Ni coat?ing)和基体之间为完全结合。图 2 为 Ni-CNT s/AZ91D 复合材料的 XRD 图谱。可以看到 Ni 与基体 AZ91D 中的 Mg 发生了 化学 反应,生成 了Mg2Ni,但是在 XRD 图谱中 Mg2Ni 相的相对强度十分 微弱。因 此在有 限元 分析中 镍层 与基 体AZ91D 的反应不予考虑。图 1?Ni-CNTs/AZ91D 复合材料拉伸端口的 SEM 照片Fig.1?SEM micrograph
16、of fracture surface inNi-CNT s/AZ91D composite after tensile test图 2?Ni-CNTs/AZ91D 复合材料的 XRD 图谱Fig.2?XRD pattern of the Ni-CNTs/AZ91D composites2?模型及边界条件用 ANSYS 软件建立有限元模型并进行分析。从复合材料中选取如图 3 所示的体积单元作为计算的模型,并用此体积单元的性能来描述复合图 3?Ni-CNT s/AZ91D 复合材料示意图和选取的计算模型Fig.3?Illustration of Ni-CNTs/AZ91D composite a
17、ndselected FE model?材料的性能。该模型由碳纳米管(CNT s)、镍镀层(Ni coating)、基体和界面构成。根据上述实验数据,模型中复合材料的长、宽、高分别为 400、30和 30 nm;碳 纳 米 管的 直 径 为 6 nm,长 度 为250 nm。此外,在有限元分析中镍镀层(Ni coat?ing)的厚度分别为 2、4、6、8 和10 nm。在图 3 中,由于计算模型是 1/8 模型,因此模型底面(即 y=0)上的节点不允许在 y 方向发生移动,顶面上的节点(即在 y=30 nm 的 x-z 平面上)在 y 方向上有相同的位移。同样,模型背面(即 z=0 的平面)上
18、的节点不允许在 z 方向移动,左面(即x=0 的平面)上的节点不允许在 x 方向移动。模型前面(即 z=400 nm 的 x-y 平面)上的节点在 z 方向上发生的位移相同,右面(即 x=30 nm 的 y-z平面)上的节点在 x 方向上发生的位移相同。采用8 节点的 SOLID45 单元对实体模型进行离散得到有限元模型,模拟加载过程为复合材料从 350?冷却到 25?。3?结果与讨论3.1?复合材料中热残余应力的分布复合材料中的热残余应力随径向距离的变化如图 4 所示。从图中可以看到:未镀镍(Ni 层厚度为 0)的 CNTs 增强 AZ91D 复合材料(CNTs/AZ91D)在冷却过程中的热
19、残余应力最大,且轴向、径向和 Von Mises 应力的最大值出现在碳纳米管内部,剪切应力的最大值出现在基体 AZ91D中。在镀镍的 CNT s 增强 AZ91D 复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中,当镍 层厚度 由 2 nm 增 加到6 nm 时,Ni 层内部的轴向应力、径向应力、剪切应力和 Von Mises 应力随着 Ni 层厚度的增加而减小。这是因为 Ni 层厚度增加减弱了 Ni 层内部的应力集中。当 Ni 层厚度超过 6 nm 时,轴向应力、径向应力、剪切应力和 Von Mises 应力随着 Ni 层?168?复 合 材 料 学 报?图 4?不同 Ni 层厚度的 Ni-CNTs
20、/AZ91D 复合材料中热残余应力(z=200 nm 处)随横向距离的变化Fig.4?Thermal residual stresses variations(z=200 nm)as a function of radial distance with the different Ni?coating?sthicknesses in Ni-CNT s/AZ91D composite厚度的增加而增大。这可能是因为较薄的 Ni 层容易变形,减小了由于热膨胀系数差异而导致的热应力;当 Ni 层较厚时,Ni 层不易变形,从而导致Ni 层厚度超过 6 nm 时热残余应力随着 Ni 层厚度的增加而增大。在
21、 Ni-CNTs/AZ91D 复合材料中,轴向应力和 Von Mises 应力最大值出现在 Ni 镀层内部,且随着 Ni 层厚度的增加向 Ni 层与基体的界面移动;径向应力的最大值出现在碳纳米管内部;剪切应力的最大值出现在基体 AZ91D 中,且随着 Ni 层厚度的增加向 Ni 层与基体的界面移动。另外,在Ni 层内部,轴向应力和 Von Mises 应力表现出了先增大后急剧减小的趋势,这与 Huang 等 20在SiC 纤维增强 T i-6Al-4V 复合材料中发现的现象一致。相比而言,镀镍的 CNT s 增强 AZ91D 复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中的热残余应力远远小于未镀镍(
22、Ni 层厚度为 0)的 CNTs 增强 AZ91D复合材料(CNTs/AZ91D)中的热残余应力。3.2?镀层厚度对界面上的热残余应力的影响图 5 展示的是镀镍的 CNT s 增强 AZ91D 复合材料(Ni-CNT s/AZ91D)中界面处的热残余应力与 Ni 层厚度的关系。图 5(a)和 5(b)分别是 Ni-CNT s/AZ91D 复合材料中 CNT s 与 Ni 层的界面上的热残余应力和 Ni层与基体的界面上的热残余应力随 Ni 层厚度的变化曲线。从图5(a)中可以清楚地看到:在 CNTs 与Ni 层的界面上,轴向应力、径向应力、剪切应力和Von Mises 应力随着 Ni 层厚度的增
23、加而减小,在Ni 层厚度为 6 nm 时达到最小,且剪切应力接近于0;当 Ni 层厚度超过 6 nm 时,热残余应力随着 Ni层厚度的增加而增大。从图 5(b)中可以看出 Ni 层和基体界面上的热残余应力与 CNT s 和 Ni 层界面上的热残余应力有相同的变化趋势,在 Ni 层厚度为 6 nm 时界面上的热残余应力最小。另外,不论是在 CNTs 与 Ni 层的界面上,还是在 Ni 层与基体的界面上,Ni 层厚度对 Von Mises 应力和轴向应?169?李维学,等:碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析力的影响最显著,而对剪切应力的影响不大。图 5?Ni-CNT s/AZ91D 复
24、合材料中界面上的热残余应力随Ni 层厚度的变化曲线Fig.5?T hermal residual stresses variations as a function of Ni?coating thickness at interfaces in Ni-CNT s/AZ91D composite4?结?论(1)通过模拟发现在碳纳米管表面镀镍能够大大降低碳纳米管镁基复合材料中的热残余应力,这与大量的实验研究结果相一致。(2)碳纳米管表面 Ni 层的厚度对复合材料中的热残余应力有很大的影响,当 Ni 层厚度为 6 nm 时,Ni-CNTs/AZ91D 复合材料中的热残余应力最小。(3)在 Ni-C
25、NT s/AZ91D 复合材料中,随着碳纳米管表面所镀 Ni 层厚度的增加,热残余应力最大值的位置向 Ni 层与基体的界面移动。(4)在 Ni 层内部,轴向应力和 Von Mises 应力在厚度方向上表现出了先增大后急剧减小的趋势。参考文献:1?George R,Kashyap K T,Rahul R.Strengthening in carbonnanotube/aluminium(CNT/Al)composites J .ScriptaMaterialia,2005,53(10):1159-1163.2?Lee W J,Park Y H,Park B G.T hermal residual
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