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清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 题目：碳纳米复合材料的细观力学研 究 系 别：航天航空学院 专 业：工程力学与航天航空工程 姓 名：季湘樱 指导教师：冯西桥 教授 2009年6月9日 中文摘要 碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料具有优异的力学性质，由其作为增强相的复 合材料应用前景广阔，也成为了当今科学与工程领域的研究热点之一。对碳纳米 复合材料有效性质的理论预计对于指导材料的制备与应用具有重要意义。 本文采用细观力学的方法，研究了横观各向同性增强相对基体模量提升的基 本规律，并将所得结果应用于碳纳米管以及石墨片增强的纳米复合材料的分析， 得到了当纳米增强相能够在基体中保持理想形态时材料的理论模量。进而针对影 响这类复合材料有效模量的若干关键因素建立了简明的定量分析模型，并具体考 查了增强相的团聚、堆积以及卷褶等微观机制对增强效果的影响。 本文的计算结果表明，碳纳米增强相确实可以大幅度提高基体的力学性质， 石墨片的增强效果尤为出色；但是优异的增强效果需要理想的碳纳米相形状和空 间分布作为前提，当石墨片不能再保持薄片状、碳管不能再保持直线状，或其在 基体中分布很不均匀时，复合材料的有效模量会严重偏离其理想值。 关键词：纳米复合材料；有效模量；横观各向同性增强相；碳纳米管；石墨 烯片 I ABSTRACT Such nanomaterials as carbon nanotubes and graphene sheets own excellent mechanical properties and are potential candidates for superior reinforcements in composites. Synthesis of these kinds of nanocomposites has attracted much attention from both scientific and engineering community. Before nanostructures’ being used into the practical preparation of nanocomposites, it is significant to theoretically predict their effectiveness for reinforcing the matrix. This project occupies micromechanical methods into the analysis of general conditions about the enhancement of moduli caused by reinforcements which are transversely isotropic, and the results are extended to the case of CNTs and graphene sheets reinforcements. In spite of obtaining the theoretical moduli for the composites when nanoreinforcements ar