【摘 要】
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碳纳米管(CNT)由于其优异的力学和电学性能,近年来被用作复合材料的理想增强相,获得了广泛的应用。作为智能材料的重要研究方向之一,深入探讨碳纳米管复合材料的力电作用机理具有重要的意义。本文以碳纳米管复合材料为研究对象,对碳纳米管非均匀分布时的复合材料导电性能和压敏特性进行了理论研究。为反映碳纳米管在基体材料中的非均匀分布,通过引入随机谐和函数,建立了碳纳米管体积分数的三维随机场模型。基于细观力学的
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碳纳米管(CNT)由于其优异的力学和电学性能,近年来被用作复合材料的理想增强相,获得了广泛的应用。作为智能材料的重要研究方向之一,深入探讨碳纳米管复合材料的力电作用机理具有重要的意义。本文以碳纳米管复合材料为研究对象,对碳纳米管非均匀分布时的复合材料导电性能和压敏特性进行了理论研究。为反映碳纳米管在基体材料中的非均匀分布,通过引入随机谐和函数,建立了碳纳米管体积分数的三维随机场模型。基于细观力学的有效介质理论、Mori-Tanaka方法和H-S界限理论,考虑隧穿效应,提出了复合材料微小体积单元的电导率计算方法。在此基础上,建立了考虑碳纳米管非均匀分布的三维有限元分析模型,能够方便计算复合材料的等效电导率。数值分析结果表明,这一方法得到的复合材料电导率与试验结果符合很好。进一步分析了相关参数对碳纳米管非均匀分布复合材料的电导率影响。基于碳纳米管复合材料力电作用,提出了一种适用于三维问题的碳纳米管复合材料压阻效应计算方法。该方法考虑了碳纳米管非均匀分布,在电导率计算的基础上,建立了考虑几何非线性的三维有限元分析模型,能够方便有效的计算碳纳米管复合材料的压阻特性。数值计算结果表明,这一方法得到的复合材料压阻效应与试验结果符合较为理想。进而分析了碳纳米管材料参数和随机参数对压阻效应的影响。最后给出了工程实际算例,以期为碳纳米管复合材料的工程应用提供参考。
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