石墨烯纳米片增强功能梯度热塑性纳米复合材料板的力热振动与稳定性研究：孔隙率、非局部弹性及应变梯度效应

《Journal of Composites Science》：Thermally Tunable Size-Dependent Vibrations of Porous Functionally Graded Thermoplastic Nanoplates Reinforced with Graphene Nanoplatelets

　　

摘要

本研究提出了一项关于石墨烯纳米片（GNPs）增强的功能梯度热塑性纳米复合材料板的力热振动与稳定性的理论研究，该研究纳入了孔隙率、非局部弹性和应变梯度效应。本文考虑了GNPs增强的聚丙烯（PP）基体，纳米颗粒沿厚度方向的分布由幂律函数描述，并纳入了厚度相关的孔隙率分布以考虑制造引起的空隙。该公式同时纳入了非局部和应变梯度尺度参数，以捕获纳米尺度的尺寸依赖行为。有效弹性模量、密度和热膨胀系数被评估为厚度、GNP体积分数、孔隙率和温度的函数。力热板方程采用模态表示形式进行构建，并开发了一种计算兼容的数值积分程序来评估固有频率、临界温度、极限情况和收敛性。对于GNP体积分数为3%、梯度指数为1、孔隙率振幅为1%、μ/h = 0.1且?/h = 0.3的参考方形PP/GNP板，力学参考频率约为168.05 Hz，而临界温升为5.8175 K。GNP增强使参考频率提高了1.1714%，而孔隙率则导致0.0106%的降低。与经典解析解的验证结果显示误差为0.0001%，临界温度比较给出的误差为0.0158%。结果证明了所提出框架在分析热塑性纳米复合材料板中耦合增强、梯度、孔隙率、热和尺寸依赖效应方面的一致性和数值稳定性。