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UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的冲击力学行为研究

曾瑶  
【摘要】:随着结构高生存力设计要求和抗战伤设计理念的提出,代替传统实体防护材料的新型应急防护材料的开发及抗冲击性能研究越来越受到重视,多材料和多层次的创新功能组元结构的优化设计逐渐成为科研人员的追求目标。泡沫铝是一种具有轻质、吸能、阻尼减震等诸多优良特性的全新型战略功能结构材料,在受到强动冲击载荷时由于存在初始失效后的长平台应力而被广泛应用于工程防护模块来减少冲击波强度,但泡沫铝的承载能力限制于相对低的峰值强度。超高分子量聚乙烯(UHWMPE)纤维轻薄如纸、坚硬如钢,具有极强的能量吸收能力和突出的抗局部冲击能力,是一种理想的防弹防冲击安全防护材料。因此,本文提出将两者复合成特殊的防护功能结构,在承受冲击荷载时能够表现出优异的防护效能以达到保护一定距离以外的建筑物、人员安全的目的。夹芯复合结构一般由上下两层承受弯曲载荷的高强度面板和承受剪切载荷的轻质芯材组成,具有典型的低重量、高刚度和高强度特征。因此,本文采用模压成型工艺制备了以多孔泡沫铝为芯材、UHWMPE纤维复合材料为面板的夹芯复合材料,探究了低速冲击和霍普金森杆(SHPB)冲击下材料参数和冲击参数对UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料力学行为的影响,得出夹芯复合材料在不同程度动态冲击荷载作用下的响应特征和变形破坏机理,为夹芯复合材料在爆炸冲击防护领域的工程应用提供必要的实验基础和设计参考。本文的研究工作主要包括以下几点:一、确定制备UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料所用胶粘剂种类。剥离强度试验结果表明,热固性胶粘接的试样破坏模式为结合界面破坏,而热熔性胶粘结的试样出现典型的胶粘剂内聚破坏,且其剥离强度远大于热固性胶膜胶接强度,因此面板和芯材间建议使用热熔性胶膜,以制备特定厚度下不同面板铺层角度、不同芯材比例及不同前后面板厚度比的UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料。二、在准静态压缩试验的基础上,对UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料的低速冲击性能进行研究。通过落锤冲击试验,发现夹芯复合材料发生显著的塑性变形,其主要吸能方式为局部压痕、面板的塑性变形和分层、芯材的致密化和裂缝以及面板与芯材间边缘界面的脱粘。在设计的参数范围内试验结果表明,面板的各向异性程度直接影响了夹芯复合材料的力学响应和损伤传播,芯材比例过高并不意味着夹芯复合材料吸能能力的提高及冲击响应时间的延长,但前后面板厚度比的增加可提高夹芯复合材料最大接触载荷并影响芯材开裂模式,冲击能量的增加促使夹芯复合材料易产生高速率增长的峰值力和回弹位移。三、对UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料的SHPB冲击性能进行研究。高应变率冲击下,芯材压缩是UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的主要损伤形式,产生的非均匀挤压带与应力-应变曲线上的振荡现象相对应。在设计的参数范围内试验结果表明,面板各向异性程度影响夹芯复合材料的应变软化现象,前后面板厚度比最低时具有最大峰值应力,而随着前后面板比的增加夹芯复合材料变形更加均匀。芯材比例对夹芯复合材料吸能能力的影响与低速冲击试验结论一致,即相同应变率下,面板铺层为[0/45/-45/90]s、芯材比例为60%、前后面板比为1的夹芯复合板吸能能力最强,但远低于理论吸能极限值。夹芯复合材料的应变硬化行为也仅在测量范围内最高应变率下被观察到。通过分析应变率效应得出,UHWMPE/泡沫铝夹芯复合材料是一种具有中等应变率敏感性的率相关材料。


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