考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料的有效力学性能.pdfVIP

固体力学学报 V01．34 第34卷第4期 No．4 CHINESE OFSOLIDMECHANICS 2013年8月 JOURNAL 2013 August 考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合 材料的有效力学性能。 肖俊华p+徐耀玲1王美芬1 张福成2 (1燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室，秦皇岛，066004) (2燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛，066004) 摘要基于Gurtin—Murdoch表／界面理论和广义自洽方法，获得了考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合 材料有效反平面剪切模量的闭合形式解．讨论了涂层的壁厚、力学性能和界面性能对复合材料有效性能的影响．结 果显示：在纳米尺度范围内，复合材料的有效反平面剪切模量受纳米涂层的尺寸影响显著．纤维体积分数一定时， 涂层壁厚越大，纤维半径越小，有效反平面剪切模量与经典结果偏差越大．纤维刚度和涂层界面性能对复合材料有 效模量的影响也取决于涂层刚度，非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献，过 高的涂层刚度屏蔽了纳米复合材料表／界面效应的影响． 关键词 界面应力，涂层纤维，尺寸依赖，广义自洽方法，纳米复合材料 0 引言 面上需应用非经典的应力边界条件． 目前，有关纳米复合材料界面效应的研究诸多 现代科技的发展需要用到纳米结构材料(纳米 国内外学者进行了大量的工作．Duan等[73给出了含 晶体材料和纳米复合材料等)[1]．经典弹性力学没有纳米空腔体的有效体积模量和剪切模量与空腔半径 考虑夹杂的尺寸效应，然而当夹杂的尺寸在纳米量 的依赖关系．He和Li[8]讨论了纳米球形空腔的应 级时，复合材料的尺寸效应将非常明显．这是由于当 力集中系数的尺寸依赖效应．Lim等∞1分析了纳米 夹杂尺寸较小时，其比表面积(表面积／体积)非常 尺度球夹杂体弹性场的尺度依赖和非均匀性．文献 大，界面性能对复合材料的宏观有效性能产生极大 [1]研究了多个相互作用的圆截面纳米夹杂／纳米孔 影响．对于一般非均匀材料尺度效应的研究，分析方 问题的界面应力．Chen[1叩研究了纤维压电纳米复合 法主要有离散位错理论心]、塑性应变梯度理论[30和材料的有效电弹模量随纤维尺寸的变化．邹波和卢 微极塑性理论[41等． 子兴[1妇给出了中空纳米微球填充复合材料在单轴 当非均匀材料的夹杂尺寸在纳米量级时，夹杂 载荷作用下的弹性场和有效弹性常数的闭合形式 特征尺寸和界面特征尺寸量级相当，夹杂的界面效 解．Luo和wang[1幻给出了椭圆纳米夹杂两相模型 应不可忽略．从尺寸上来看，宏观特征尺寸在毫米量 在反平面剪切载荷作用时的半解析解答．Brisard 级，纳米夹杂以及界面特征尺寸是纳米量级．Gur— 等[13’141给出了纳米复合材料体积模量和剪切模量 ti”Murdoch界面理论[5“3考虑夹杂的界面效应，引 入界面应力，将这类跨尺度的响应进行了统一描述． 米尺度圆环形涂层(界面层)中螺型位错与圆形夹杂 以及无限大基体材料的干涉效应．Li等n63提出了预 根据Gurtin—Murdoch界面理论，夹杂和基体之间的 界面被看作是一个没有厚度但有自身物理性能的弹