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剪切变硬复合材料的力学行为研究

王云鹏  
【摘要】:剪切变硬胶(STG)是一种低交联度聚硼硅氧烷,STG的力学性能可以自适应环境应力场,对外界激励表现出可逆的灵敏反应,是一种集传感功能、响应功能、自修复能力和自适应能力于一体的剪切增稠智能材料。自然状态下,STG处于黏性流态,弹性模量较低;受到较高应变率的应力刺激时,储能模量、黏度等急剧提升,STG转变到橡胶高弹态和玻璃态;一旦应力卸载,STG又会迅速恢复到初始黏流态。这一独特的力学性质,使得以STG为基础的剪切变硬复合材料,在人体防护、灵敏传感、减振隔振等领域表现出了巨大的应用前景。然而,关于剪切变硬复合材料的性能优化,不同应变率载荷下剪切变硬复合材料的动态力学行为,以及基于微观结构演化的力学机理分析等方面的相关研究尚显欠缺,依然存在诸多亟待解决的问题。本文通过颗粒增强和高分子网络结构复合增强两种方式制备了磁响应剪切变硬复合材料,并实现了对复合材料的力学性能调控;随后,在力-磁耦合场作用下,对磁响应剪切变硬复合材料的力学行为作了研究,建立了复合材料的力学本构模型,基于动态硼-氧(B-O)键的断裂与重组,提出了剪切变硬复合材料的力学作用机理;最后,以STG为夹芯材料,设计了三明治结构抗冲击复合材料,研究了三明治板在低速冲击载荷下的力学响应,并对三明治板的应力分布与能量耗散作了有限元分析计算。具体内容包括以下几个方面:1.剪切变硬复合材料的力学性能调控。首先,在STG的基础上,以羰基铁粉(CIPs)作为添加剂,以甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)作为高分子网络聚合原料,制备了磁响应剪切变硬复合材料——磁响应剪切变硬胶(MSTG)和磁响应剪切变硬弹性体(MSTE)。复合材料的储能模量随振荡剪切频率的增加而显著增大,表现出了优秀的剪切变硬性能。通过调节CIPs和VMQ的体积分数,实现了对剪切变硬复合材料的力学性能调控。其中,MSTE克服了STG的冷流性问题,并拥有优秀的自愈合性能。基于标准线性固体模型,建立了剪切变硬复合材料的本构模型,准确描述了复合材料的静态、动态力学行为。最后,通过钢球弹跳实验进一步研究了STE的黏弹特性。在8mm STE片上,自由下落的小球回弹率高达95.6%。通过高速摄影,观察到了小球弹跳的弹性波在STE中的传播过程。2.剪切变硬复合材料的力-磁耦合性能研究。利用流变仪和改进的霍普金森压杆,研究了MSTG和MSTE两种磁响应剪切变硬复合材料在力-磁耦合场作用下,低应变率下的流变性能和高应变率下的动态力学行为。MSTG和MSTE在低应变率下的流变性能受到剪切速率和磁场强度的协同影响作用。随剪切速率增大,储能模量显著提升;随磁场增强,储能模量随之增大。CIPs体积分数和STG:VMQ的体积比对复合材料的力-磁耦合性能有明显影响。CIPs体积分数增大,初始储能模量增大,MSTG和MSTE相对剪切变硬性能有所降低,但磁流变效应更加优秀;STG体积分数越大,MSTE基体的交联密度越小,剪切变硬性能越突出,磁流变效应也更明显。高应变率下,剪切变硬复合材料的力学行为表现出灵敏的率相关性。以CIPs含量为10.2 vol%的MSTG为例,在应变率为7236 s-1时,MSTG的弹性模量达到了126.6MPa,而在自然状态下其模量只有160Pa。最后,基于动态B-O键理论,提出了剪切变硬复合材料可能的力学机理解释。应变率越高,分子链间产生作用的B-O键越多,阻碍形变的力越大,剪切变硬复合材料的弹性模量就越大。磁场作用下,CIPs颗粒形成一个个磁偶极子,磁偶极子之间相互吸引,缓慢移动并沿磁场方向定向排列,形成链状、柱状微结构,引起剪切变硬复合材料的磁致伸缩,这是磁流变效应的主要原因。3.三明治结构剪切变硬复合材料的力学性能研究。本章以STG为夹芯材料,以铝合金(A1)和氯丁橡胶(CR)为面板材料,制备了一刚一柔两种三明治结构剪切变硬复合材料,并研究了其在低速冲击载荷下的力学响应。采用圆柱和平板两种支撑,提供了两种不同的实验条件以匹配不同的应用情况。研究并对比了STG夹芯,CR夹芯和三元乙丙橡胶(EPDM)夹芯三明治板的能量吸收和抗冲击性能。在圆筒支撑和平板支撑的冲击试验中,STG夹芯的三明治板的接触力明显小于CR夹芯和EPDM夹芯三明治板的接触力,并且STG夹芯三明治板吸收了更多的能量。另外,CR面板的柔性三明治板的冲击防护性能优于A1面板三明治板,并且能应用于更为复杂的工作环境。最后,对Al-STG-A1三明治板的冲击过程进行了有限元分析,给出了面板的应力分布。由于STG夹芯的作用,上面板上的集中应力分布在下面板上的较大区域,峰值应力大大降低。基于上述结果,可以得出结论,STG夹芯三明治结构复合材料在抗冲击和缓冲保护方面显示出了很大的应用潜力。


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