芳纶/环氧纤维复合材料超高速撞击特性研究

对芳纶/环氧复合材料的超高速撞击特性进行了实验研究,分析了芳纶/环氧复合材料撞击损伤区域的破坏形式和损伤特性,提出了以纱线断裂数目、穿孔体积等作为撞击吸能特性的表征参数,得到了芳纶/环氧纤维复合材料的超高速撞击防护性能和破坏规律,并讨论了撞击过程中的能量转换和传递过程。结果表明:随着厚度增加,芳纶/环氧复合材料超高速撞击防护性能也相应提高,但其防护效率却有所降低。当厚度较薄时,芳纶/环氧复合材料会被超高速弹丸直接贯穿;随着厚度增加,复合材料撞击损伤机理发生改变,复合材料发生层间开裂现象,并对弹丸产生分层破碎效应。     

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.     

碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

采用压挤渗透工艺制备了新型碳纤维毡增强铝基复合材料,在MG－2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了其摩擦磨损性质,结果表明：碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损特性明显估于基体合金;复合材料经历由稳定磨损向严重磨损的转化;在稳定磨损阶段,复合材料的磨损表面存在由金属氧化物和碳膜共同构成的复合固体润滑膜,从而有效地改善复合材料的摩擦磨损性能。     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素.本文采用横向纤维束拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度.平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体(由Hanse Chemie AG提供),可以达到很高的含量,同时保持较为理想的分散状态.实验结果表明,二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应.当纳米颗粒含量为14 vol.%时,横向纤维束拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104%.通过对横向纤维束拉伸样品断裂面的扫描电镜观察,以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量,可以发现横向纤维束拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性.由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因.     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素。本文采用横向纤维柬拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度。平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体（由 Hanse ChemieAG提供），可以达到很高的含量，同时保持较为理想的分散状态。实验结果表明，二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应。当纳米颗粒含量为14v01．％时，横向纤维柬拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104％。通过对横向纤维柬拉伸样品断裂面的扫描电镜观察，以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量，可以发现横向纤维柬拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性。由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因。     

玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构撞击极限及损伤特性

为了研究玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构的撞击极限和损伤特性,采用非火药驱动二级轻气炮进行超高速撞击实验,拟合撞击极限曲线,并与Nextel/Kevlar填充防护结构及三层铝防护结构进行比较。结果表明:玄武岩/Kevlar填充防护结构具有和Nextel/Kevlar填充防护结构类似的防护效果,防护性能优于三层铝防护结构。进一步研究填充防护结构铝合金防护屏、纤维布填充层及铝合金舱壁的损伤形式,分析了造成防护屏、填充层与舱壁不同损伤形貌的原因,探索了玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构的防护机理,得出玄武岩纤维布填充层使弹丸碎化,而Kevlar填充层消耗、吸收和分散弹丸或碎片云的能量。     

复合材料结构设计中的力学问题

以碳纤维-环氧为代表的先进复合材料,具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好和容易加工成复杂的外形等一系列优点,特别适宜于宇航、航空及其他重要国防工程结构中使用。设计复合材料结构,要求重量轻、性能好、安全可靠和经济。要想设计出复合材料的最佳结构,必须掌握复合材料及其结构的基本特点和特性。它涉及许多学科和重要环节,如材料科学,成型工艺,结构设计,理论研究和实验等。其中与力学有关的有复合材料力学和复合材料结构力学。对于主要受力部件,必须认真研究复合材料及其结构的力学问题,以确保安全。      

碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究

通过有限元方法研究碳纤维复合材料箱体挤压性能,以动力电池系统碳纤维复合材料箱体挤压工况为例,基于LS-DYNA仿真有限元应用,重点阐述了碳纤维复合材料有限元仿真材料及夹芯面板铺层设置方法,分析了不同铺层角度对电池包挤压性能的影响。从最大挤压力、平均挤压力水平、能量吸收、比吸能考察碳纤维复合材料箱体电池包挤压性能指标发现,[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层综合指标占优。有限元仿真技术在碳纤维复合材料上的应用可以有效地指导动力电池碳纤维复合材料箱体性能开发。     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。     

泡沫铝夹芯板动态抗侵彻性能的实验研究

本文研究了铝板-泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能.设计了铝板-泡沫铝夹芯复合材料板,采用SHPB设备,测试了不同子弹冲击速度下纯铝板和泡沫铝夹芯板的动态响应,并研究了其破坏形态.结果表明应力波在纯铝板中的传播与在铝板-泡沫铝夹芯板中的传播有很大差异,由于泡沫铝的粘性效应使应力波在传播过程中有明显的波幅衰减现象.实验结果表明,铝板-泡沫铝夹芯板相对于纯铝板具有不同的破坏形态.由于铝板-泡沫铝夹芯板的特殊结构和性能,使其具有良好的抗侵彻性能.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

预张力纤维织物超高速碰撞热-力学特性分析

高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷,并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力,并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响,从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响,采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型,利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模,并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸,进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型,分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明:在弹丸超高速碰撞下,随着预张力的提高,纤维织物穿孔面积增大,碎片云扩散角减小,弹丸动能吸收率降低,碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

改进的Whipple防护结构与相关数值模拟方法研究进展

基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理,Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程,对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比,分析其力学效应和防护性能;总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法;结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果,为防护结构未来的研究方向提出建议。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

超高速撞击玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构研究

利用二级轻气炮对玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。以Nextel/Kevlar撞击极限曲线为参照,分析了双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能、填充材料及舱壁的损伤情况。实验表明：双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区都具有优良的防护性能。此外,通过涂环氧树脂胶改善了玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区的防护性能。Kevlar纤维丝在低速区主要依靠塑性变形及断裂吸收弹丸的动能,玄武岩纤维丝在高速区主要依靠脆性断裂及高温碳化将弹丸破碎或融化为更小的碎片或熔球,减轻了对舱壁的损伤。玄武岩及Kevlar纤维丝在高速区存在高温熔化及碳化现象。     

纳米Si_3N_4填充聚双马来酰亚胺摩擦磨损性能研究

采用浇铸成型法制备纳米 Si3 N4颗粒填充聚双马来酰亚胺复合材料 ,考察了纳米 Si3 N4质量分数分别为 0 .5 %、1.0 %、1.5 %及 2 .0 %的复合材料的摩擦学性能 ,并用扫描电子显微镜对磨损表面形貌和磨屑进行了分析 .结果表明 ,纳米 Si3 N4颗粒对聚双马来酰亚胺的摩擦磨损性能具有明显的改性作用 ,尤其是当纳米 Si3 N4的质量分数为 1.5 %时 ,复合材料的摩擦磨损性能最佳 ,摩擦系数降为 0 .2 5 ,磨损率降低 72 %     

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。