基于UCNPs和石墨烯的环氧纳米复合材料的力学性能：实验研究、分析方法以及RVE/FEM/PF数值模拟方法

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Experimental, analytical and RVE/FEM/PF computational determination of mechanical properties for epoxy nanocomposites with UCNPs and graphene

　　

摘要

随着航空航天领域的快速发展，纳米材料作为改性材料应用于各种用途的纳米复合材料中时具有诸多优势。本研究合成了两种环氧树脂-石墨烯基复合材料，并分别加入了上转换发光材料ZrO?:Yb, Er和NaYF?:Yb, Er。主要目的是通过计算建模研究这两种材料的力学性能，确定杨氏模量和弯曲模量，预测潜在裂纹的扩展路径，从而为填料尺寸/形状的影响提供依据，也为后续关于裂纹路径和光致发光裂纹复合材料的研究奠定基础。拉伸试验和弯曲试验均按照ISO标准进行，以确保结果的可靠性和一致性。通过分析模型对杨氏模量进行了分析，并与利用有限元法中的代表性体积元素模型以及相场模型得到的计算结果进行比较，以探究纳米尺度上的增强机制。此外，石墨烯不仅能有效降低光致发光现象，还能进一步提升材料的力学性能。通过单轴拉伸试验和三点弯曲试验评估了这些纳米复合材料的力学性能，结果显示ZrO?-G的强度提升了10.32%；而NaYF?-G在石墨烯浓度为0.4 v/v%时强度达到最大值9.03%，在石墨烯浓度为1.0 v/v%时则下降至11.25%。这一结果与计算/分析模型所显示的持续上升趋势有所不同。研究人员分析了填料的聚集情况、分布状态及尺寸，以找出纳米复合材料力学性能差异的原因。本研究为将这些环氧纳米复合材料作为铝合金的底层涂层、提升其在多领域应用中的强度和耐久性提供了有力依据。未来的研究计划将把上转换发光材料的光致发光特性与本研究的成果以及实验性断裂分析相结合。