剪切增稠液胶囊增强硅橡胶复合材料抗冲击性能的数值模拟研究

冲击会对实战条件下武器的安全性和可靠性带来影响,因此必须使用抗冲击材料来提高武器系统的安全性。随着武器装备的高速发展,传统的聚合物抗冲击材料已逐渐不能满足要求,因此需要开发兼顾高效、轻质、智能、多次防护、多功能的抗冲击防护材料。将剪切增稠液(STF)胶囊分散在硅橡胶中制备了新型抗冲击复合材料,应用LS-DYNA程序ALE算法对落锤冲击STF/硅橡胶复合材料的过程进行了动力学建模,通过数值模拟研究了复合材料的抗冲击性能,并讨论了冲击速度、STF液滴分布结构以及吸能液体对复合材料抗冲击性能的影响。

环境温度对超高韧性地聚合物复合材料抗冲击性能的影响

研究了不同NaOH溶液浓度(8、10、12、14 mol/L)的超高韧性地聚合物复合材料(UHTGC)在常温(20℃)、高温(50、100、200℃)、低温(-20、-40、-60℃)环境下的抗冲击性能。结果表明:在常温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的抗冲击性能呈先增后降的趋势,最佳NaOH溶液浓度为12 mol/L;在高温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的抗冲击性能不断提高,当NaOH溶液浓度为14 mol/L时,UHTGC试件的峰值冲击荷载和冲击耗能均相对最大;在低温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的峰值冲击荷载呈先增后降的趋势,冲击耗能呈增大趋势,另外,随着低温温度的降低,UHTGC试件的冲击耗能逐渐增大。

基于Ansys冲击模型下石墨烯增强碳纤维复合材料叶片抗冲击性能分析

针对目前飞机发动机叶片使用存在的脆性大、横向耐冲力差等问题,本文基于显示动力学下冲击载荷模拟的方法,以具有高力学性能强度的碳纤维复合材料叶片为研究对象,进行冲击模型建立,对比分析不同冲击能量、速度下,碳纤维复合材料叶片的应力分布、应变、损伤情况等抗冲击性能。结果表明:添加石墨烯改性后,碳纤维复合材料的密度、弹性模量发生改变,使其界面作用力增大,材料横向耐冲力、耐磨性增强。相同冲击载荷下,石墨烯改性后的碳纤维叶片残余应力减少11.9%,应变减小6.4%,可以有效减小冲击时产生的损伤破坏。

自修复EMAA纤维束缝合复合材料抗冲击层间性能研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料层间断裂韧性不足、抗冲击损伤容限低以及冲击损伤后修复困难等问题,利用缝合和分阶段共固化工艺,制备热塑性树脂纤维EMAA缝合复合材料试件,并进行自修复前后冲击性能研究。将铺层好的预浸料沿厚度方向进行热塑性树脂纤维EMAA的缝合,在内部建立起三维自修复网络,经过分阶段加热加压固化,加工成冲击试件。采用不同能量对缝合EMAA复合材料层合板进行一次冲击及自修复后冲击试验,对冲击后损伤的缝合EMAA复合材料层合板试件进行愈合试验,对不同冲击能量下未修复层合板和自修复复合材料层合板的损伤及其自修复前后的抗冲击性能开展了研究。试验结果表明:在相同能量冲击作用下,缝合EMAA较未缝合EMAA复合材料层合板损伤损耗能量最大降低17.66%,损伤更小,具有更好的抗冲击性能;自修复后层合板修复效率最低为97.96%,较好地实现了材料的自修复功能。

阻燃微胶囊改性玻璃纤维增强聚合物基复合材料阻燃性能与冲击性能研究

为了提高玻璃纤维增强聚合物基复合材料(GFRP)的阻燃性能,采用由微流控技术制备的FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊改性环氧树脂基GFRP。采用垂直燃烧试验、锥形量热试验和落锤试验,研究阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA对GFRP阻燃性能、燃烧性能和抗冲击性能的影响。试验结果表明:阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA能明显提高GFRP的阻燃性能,相比FR-PN阻燃剂,添加阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的GFRP表现出更好的燃烧行为,当添加量为10wt%时,阻燃效果最佳;阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的加入能有效降低阻燃剂对GFRP抗冲击性能的负面影响,添加了10wt%阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的GFRP抗冲击性能最佳。

CAF/PA12复合材料成形件低速冲击性能研究

使用不同纤维含量复合丝材制备的成形件的力学性能有一定差异。为提高连续芳纶纤维增强尼龙12(CAF/PA12)复合材料成形件的低速冲击性能,探究了冲击能量和复合丝材纤维含量对成形件低速冲击性能的影响。对较低纤维含量复合丝材制备的成形件,采用单因素实验,探究了不同冲击能量下的抗冲击性能。并分析了四种纤维含量复合丝材制备的复合材料成形件的低速冲击性能。实验结果表明,36.14%纤维含量复合丝材制备的成形件具备较好的低速冲击性能。

化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料及其抗冲击性能研究

为了研究不同碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料抗冲击性能的影响,采用两步化学气相渗透法(CVI)对不同碳纤维原丝数量(K)的2.5D碳纤维针刺预制体进行陶瓷基体致密化,得到2种C/C-SiC复合材料(3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC)。采用体积法和压汞仪测定了2种C/C-SiC复合材料的密度和开孔孔隙率。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱(EDS)分析等表征手段对C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征。结果表明,碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料的结构与性能均有较大影响。采用两步CVI工艺制备的C/C-SiC复合材料,热解碳(PyC)和碳化硅(SiC)都能均匀沉积在2种碳纤维表面,3K,12K碳纤维2.5D针刺预制体增重分别约30%和25%,3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的密度分别约为0.89,0.74 g/cm^(3),开孔孔隙率分别约为52.87%和56.53%,是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的纤维含量低,密度小,孔隙率大,沉积在纤维表面的PyC和SiC更多,同时SiC的密度大于C的密度,从而使得3K-C/C-SiC复合材料的密度较大,孔隙率较小。通过对2种C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征发现3K-C/C-SiC,12K-C/C-SiC复合材料中SiC含量分别约为27.2%和11.1%,C含量分别约为72.8%和88.9%,单根纤维束中PyC层厚度分别约为2.162,2.145μm,SiC层分别约为1.890,1.284μm;3K-C/C-SiC复合材料SiC含量更高、C含量较低,这是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的碳纤维含量较低,孔隙率较大,从而能使更多的PyC和SiC沉积在碳纤维表面。经抗冲击测试测得到3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的冲击韧性分别约为25.624,14.310 kJ/m^(2),吸收功分别约为1.52 J和1.09 J。通过摆锤式冲击试验结果发现,3K-C/C-SiC复合材料的抗冲击性能要优于12K-C/C-SiC复合材料,其优良的抗冲击性能主要是因为3K-C/C-SiC复合材料表面的SiC层更厚,使其断裂需要更多的断裂功,PyC具有良好的韧性,能够提高纤维的抗冲击性能,同时3K碳纤维预制体的韧性要优于12K碳纤维预制体,因此断裂3K-C/C-SiC中的纤维束需要更多的断裂功。

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发,讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系,指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能,且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究,和对国外文献总结的基础上,提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象,在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上,建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系,即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性);用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。

稀土对玻璃纤维填充金属-塑料多层复合材料抗冲击磨损性能的影响

研究了稀土元素处理玻璃纤维填充金属 塑料多层复合材料在冲击载荷、干摩擦条件下的摩擦和磨损性能 ,并利用扫描电子显微镜(SEM )对磨损表面进行了观察和分析。结果表明 ,用稀土表面改性剂处理玻璃纤维表面 ,可以提高玻璃纤维与聚四氟乙烯之间的界面结合力 ,改善复合材料的界面性能 ,并有利于在偶件表面形成分布均匀、结合强度高的转移膜 ,使复合材料与偶件表面之间的对摩减轻 ,大幅度地降低了复合材料的磨损 ,从而使复合材料具有优良的摩擦性能和抗冲击磨损性能。

不同应变率下多壁碳纳米管/天然橡胶复合材料的抗冲击性能研究

研究多壁碳纳米管(MWNTs)/天然橡胶复合材料在不同应变率下的抗冲击性能。结果表明:随着MWNTs用量的增大,复合材料的压缩弹性模量和吸能率增大,抗冲击性能提高;在MWNTs的用量相同时,复合材料的吸能率随着应变率的增大而增大,且增幅随着MWNTs用量的增大而变大。

偶联剂对Al_2O_3/树脂/金属丝网层状复合材料抗冲击性能的影响

采用硅烷偶联剂KH550对氧化铝基体与金属丝网进行硅烷化处理,以环氧树脂为粘结剂制备了Al2O3/树脂/金属丝网层状复合材料,研究了偶联剂对层状复合材料层间粘结强度以及抗冲击性能的影响。实验结果表明:偶联剂的引入增强了树脂与氧化铝基体和金属丝网的界面结合,提高了层状复合材料的层间粘结强度;落锤冲击性能测试表明,通过硅烷化处理增强环氧树脂的粘结强度可以较大幅度提高陶瓷/树脂/金属丝网的抗冲击性能。

微胶囊型自修复碳纤维增强复合材料性能研究

为了分析内嵌环氧树脂基微胶囊的碳纤维增强复合材料(CFRP)的力学性能,开展了材料在准静态载荷条件下力学性能试验研究,对比分析了有、无微胶囊时碳纤维增强复合材料的静态力学性能,详细探究了微胶囊的质量分数对碳纤维增强复合材料的力学性能和自修复性能的影响,分析了材料的拉伸强度,弹性模量,断裂伸长率以及自修复性能情况。在相同冲击能量下,采用落锤法对不同微胶囊含量的层合板进行冲击试验,研究其在冲击载荷作用下的动态力学响应。结果表明,微胶囊具有增韧效果和自修复能力。随着微胶囊质量分数的增加,自修复碳纤维增强复合材料的拉伸强度降低,弹性模量先略微升高后降低,断裂伸长率先降低后升高,但总体变化不大,修复效率随微胶囊含量的增加而升高。在相同冲击能量下,微胶囊含量越大,最大冲击力越小,材料的冲击力-位移曲线斜率越小,抗冲击性能越差。研究结果可以为推动自修复型CFRP材料的实际工程应用和理论研究提供相关参考。

碳纤维增强树脂基复合材料抗冲击性能的改进方法

本文描述了影响碳纤维增强热固性树脂基复合材料（CFRC）抗冲击性能的主要因素，评述了各种提高CFRC冲击后的剩余压缩强度（CAI）的技术措施，着重强调了几种主要的技术方法。

PP/纳米CaCO_3复合材料的抗冲击性能

对纳米CaCO3采用脂肪酸处理和钛酸酯偶联剂处理,分别制备了聚丙烯,纳米CaCO3复合材料(SⅠ)和SⅡ),考察了不同处理方法和纳米CaCO3含量对复合材料抗冲击性能的影响。结果表明,随着ψ(CaCO3)的增加,试样的V形和U形缺口冲击强度有所提高;当ψ(CaCO3)大于1.0%后,SⅡ的V形缺口冲击强度明显高于SⅠ,而表面处理对U形缺口冲击强度的影响不太明显。

连续玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料抗冲击性能研究

制备了连续玄武岩纤维增强的环氧树脂基复合材料靶板,并进行了抗冲击性能测试,研究了影响其抗冲击性能的主要因素及抗冲击机理。结果表明,表面处理会使复合材料抗冲击性能下降;而降低织物面密度、提高纤维体积含量可以使复合材料抗冲击性能得到提高。复合材料靶板的主要能量吸收形式为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱。

基于LS-DYNA的ECC管桩的抗冲击性能分析

为研究工程水泥基复合材料(Engineering Cementitious Composite,ECC)管桩的抗冲击性能,采用Ansys/LS-DYNA对管桩受竖向落锤冲击作用进行模拟。基于静态拉压试验和动态压缩试验获得关键参数,建立ECC管桩的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,通过霍普金森压杆试验(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)验证有限元模型的正确性。对不同锤体质量和冲击速度组合的管桩模型进行参数化分析,得到管桩在不同冲击能量下的位移、能量时程曲线和有效塑性应变图等动力响应。结果表明:在竖向冲击作用下,ECC管桩的最大残余变形只有高强混凝土(High-Strength Concrete,HC)管桩的66.0%,最小残余变形仅为HC管桩的13.7%;且ECC管桩释放的变形能占比平均为HC管桩的6.26倍。表明ECC管桩较HC管桩有更好的抗损伤能力和弹性恢复能力。

聚酯纤维插层对碳纤维复合材料抗冲击性能的影响

为探明聚酯纤维插层对碳纤维复合材料抗冲击性能的影响,通过落锤冲击试验,借助C扫和扫描电镜分别在宏观和微观层面对基础板及插层板试样的损伤截面进行比对分析。C扫结果表明聚酯纤维插层可大幅度提升复合材料的抗冲击性能,阻碍裂纹的扩展;扫描电镜结果表明无纺布聚酯纤维在复合材料中被树脂基体包围,断裂过程中聚酯纤维通过拔出、脱粘、断裂等综合作用吸收了部分断裂能量,造成裂纹在基体中沿曲线传播,基体成河流状韧性断裂。该研究结果可用于指导航空航天用复合材料的增韧设计,同时对探索复合材料新型增韧方法、提升复合材料飞行器抗冲击可靠性方面也具有重要意义。

碳-芳纶纤维复合材料高速冲击响应数值模拟

针对层板高速冲击问题,基于连续损伤力学,建立了由8节点的Cohesive单元和8节点实体单元组成的三维有限元冲击模型。由于Hashin准则可以良好地预测纤维损伤;Puck准则可以良好地预测基体损伤,所以采用Hashin与Puck混合形成的准则与单一Hashin失效准则进行对比分析,发现混合准则的预测更接近试验值。在此基础上,分析铺层角度和冲击角度对层板抗冲击性的影响,结果表明,相邻铺层角度差越大,入射角度越大,层板的抗冲击性能就越强。

碳纤维拉索抗冲击防护材料动态拉伸性能的试验研究

为明确高密度聚乙烯(PE-HD)、聚氨酯(PU)和三元乙丙橡胶(EPDM)这3种材料在不同应变速率下的拉伸性能,对其轴向拉伸性能进行了试验研究,得到了不同应变速率下各材料的应力-应变曲线。结果表明,PE-HD具有较好的延性,拉伸过程中产生了较大塑性变形,而PU属于弹性材料,相较之下,EPDM在拉伸过程中产生的可恢复变形具有明显时间相关性,属于黏弹性材料;随着应变速率的增大,PE-HD的屈服强度与拉伸模量显著提高,但屈服强度对应的应变却降低,当应变速率从0.01 s^(-1)提高至1.0 s^(-1)时,其屈服强度与拉伸模量分别提高23.4%和40.4%;应变速率对PU的拉伸模量和断裂伸长率影响较大,但应变速率对其拉伸强度的影响较小,与应变速率为0.01 s^(-1)时的拉伸模量与断裂伸长率相比,应变速率为1.0 s^(-1)时的拉伸模量增加了39.1%,但断裂伸长率降低了55.2%;随着应变速率的增大,EPDM的拉伸强度与拉伸模量提高,而其断裂伸长率却随之减小,当应变速率由0.01 s^(-1)提高至1.0 s^(-1)时,其拉伸强度与拉伸模量增幅分别为19.9%和16.5%。

高分子材料粘合铺设的体育场馆地面层抗冲击性能分析

体育场馆选材质量的好坏在某种程度上直接影响着现代体育运动的发展水平以及普及程度。目前广泛应用的高分子复合材料属于人工材料,主要是将相关原材料进行化学合成而产生,这种材料具有弹性大、强度高、耐磨性强、抗震、减震等优点,使之在体育运动场地中获得了颇为广泛的运用。采用试验法对体育场馆内部地面铺设聚氨酯泡沫复合材料面层的抗冲击性能进行测试,同时探究了数值模拟法在材料冲击吸收性能测试中的应用,并对其在体育场馆的相关应用进行阐述。