UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的冲击力学行为研究
发布时间：2021-04-14 19:03
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...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫铝
的基本构造形式是由上下两层薄而强的面板和填在其中并与面板牢固连接起来的轻质芯材组成，面板通常选用铝、不锈钢、纤维增强复合材料层合板等材料，而芯材则主要有蜂窝、泡沫、格栅和轻质木等低密度材料[10]。夹芯复合材料有着典型的低重量、高刚度和高强度特征，这种材料间的优异组合可以实现产品卓越的强重化。当夹芯复合材料承受外来载荷时，其工作原理从某种程度上来说类似于工字钢，夹芯复合结构的面板承载平面拉伸和压缩应力，而芯材的作用是支撑面板使它们不会产生向内或向外的变形，因此芯材主要承受剪切应力，见图1-2所示，也可以理解为剪切力从面板传向芯材，而两个面板层在动态载荷下能保持稳定的同时吸收冲击能来提高抗破坏性能。当上下面板之间的距离被进一步分开，整个夹芯复合材料截面惯性矩加大，其整体强度会得到一定的提升。较厚的芯材能达到同样的效果，同时也能提供整体的低比重，这就获得了高刚度-重量比，因此夹芯复合材料在保证力学性能的同时可显著减轻重量，以轮船车体为例，在不折损结构刚度和强度的前提下，减重可以提升动力产品加速性能、操纵性能和运能能力，而运能的提升对降低成本和对环境的冲击有着积极的影响。图1-2夹芯复合材料示意图Figure1-2Schematicdiagramofsandwichcomposites由上可知，夹芯复合材料具备了结构和功能一体化的特点，作为新型结构复合型材料，发挥了各组成材料的性能优势，达到整体最优化的效果。由于其具有优异的吸能和抗冲击特性，同时比强度高、刚度好，可有效应用于防护工程中，来代替传统实体防护材料作为抗爆和抗冲击的吸能材料。而随着泡沫铝材料诸多特性逐步被认识，围绕泡沫铝开展的应用制品的设计和开发工作已成为当前材料科学研究的热点，如泡沫铝夹芯板复合结构技术的成功
江南大学硕士学位论文10了材料参数和冲击能量对冲击过程中力学响应的影响，并通过试样外观形貌和横截面图像分析夹芯复合材料的变形特征和损伤规律，揭示低速冲击下夹芯复合材料的损伤机理。（4）结合脉冲整形技术和高速摄影技术进行不同应变率下UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的SHPB冲击试验，研究夹芯复合材料的应力应变状态及对应状态下试件变形特征。结合准静态压缩、低速冲击和SHPB冲击试验结果，重点分析UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的应变率效应和抗冲击损伤机理。本课题采用的研究技术路线如图1-3所示：图1-3研究技术路线Figure1-3ResearchTechnologyRoute1.4.2本课题的创新点（1）将致密的纤维增强复合材料与低密度的多孔材料组合成夹芯复合材料，解决闭孔泡沫铝因强度不高而应用受限的问题，充分发挥二者功能和结构上的优势，实现多材料和多层次的创新功能组元结构设计，从而达到整体结构显著的防护性能。（2）制备多种材料配置的UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料，并进行不同应变率下全方面动态冲击实验测试，系统地运用单因素分析、比较研究等方法给出不同加载条件下应力应变状态所对应的动态变形形态。深入讨论和分析材料参数和冲击参数对夹芯复合材料冲击力学行为的影响，为设计多层异质防护板提供理论参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纤维用超高分子量聚乙烯研究进展[J]. 唐璐,郭正阳,雷世龙,刘萃莲,王迎. 石油化工. 2019(08)
[2]泡沫铝材料的制备技术及其应用研究概述[J]. 赵河闯,朱艳超,田键,李涛,张祥. 有色金属加工. 2018(06)
[3]世界泡沫铝的发展及其市场分析[J]. 姜玉敬. 中国金属通报. 2017(04)
[4]爆炸载荷下泡沫铝夹芯板变形与破坏模式的实验研究[J]. 王涛,余文力,秦庆华,王金涛,王铁军. 兵工学报. 2016(08)
[5]超高分子量聚乙烯纤维性能及生产现状[J]. 李建利,张新元,贾哲昆,赵领航,王建新. 针织工业. 2016(06)
[6]Hopkinson压杆技术在中国的发展回顾[J]. 胡时胜,王礼立,宋力,张磊. 爆炸与冲击. 2014(06)
[7]UHMWPE/LLDPE复合材料层板低速冲击及冲击后压缩性能实验研究[J]. 张典堂,陈利,孙颖,孙绯. 复合材料学报. 2013(S1)
[8]泡沫铝材料制备方法现状[J]. 王应武,叶金龙,夏宇,杨少杰,曹颖,周颖,王志勇. 轻金属. 2013(09)
[9]超高分子量聚乙烯纤维UD防弹材料市场前景[J]. 赵莉,谢雄军. 纤维复合材料. 2010(03)
[10]国内外超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用[J]. 顾超英,赵永霞. 纺织导报. 2010(04)
博士论文
[1]基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究[D]. 吕太洪.中国科学技术大学 2018
[2]超高分子量聚乙烯高性能纤维纺制过程中结构演变机理研究[D]. 曹田.中国科学技术大学 2018
[3]泡沫铝材料的吸能与防爆特性研究[D]. 刘欢.东北大学 2014
[4]玄武岩纤维/泡沫铝复合板的冲击力学行为研究[D]. 唱忠良.哈尔滨工程大学 2014
[5]不同材料靶板的抗弹性能研究[D]. 吴乔国.中国科学技术大学 2012
[6]复合材料层板高速冲击损伤研究[D]. 古兴瑾.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]泡沫铝夹芯板细观结构及抗侵彻能力研究[D]. 冯阳.中北大学 2016
[2]碳纤维复合材料防护门抗冲击性能研究[D]. 岳金.武汉理工大学 2015
[3]新型复合泡沫铝夹层板抗爆性能研究[D]. 张东新.哈尔滨工业大学 2011
[4]闭孔泡沫铝夹芯板抗冲击性能研究[D]. 明如海.哈尔滨工程大学 2009
[5]复合材料层压板残余应力的研究[D]. 温磊.北京航空材料研究院 2000
本文编号：3137849
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫铝
的基本构造形式是由上下两层薄而强的面板和填在其中并与面板牢固连接起来的轻质芯材组成，面板通常选用铝、不锈钢、纤维增强复合材料层合板等材料，而芯材则主要有蜂窝、泡沫、格栅和轻质木等低密度材料[10]。夹芯复合材料有着典型的低重量、高刚度和高强度特征，这种材料间的优异组合可以实现产品卓越的强重化。当夹芯复合材料承受外来载荷时，其工作原理从某种程度上来说类似于工字钢，夹芯复合结构的面板承载平面拉伸和压缩应力，而芯材的作用是支撑面板使它们不会产生向内或向外的变形，因此芯材主要承受剪切应力，见图1-2所示，也可以理解为剪切力从面板传向芯材，而两个面板层在动态载荷下能保持稳定的同时吸收冲击能来提高抗破坏性能。当上下面板之间的距离被进一步分开，整个夹芯复合材料截面惯性矩加大，其整体强度会得到一定的提升。较厚的芯材能达到同样的效果，同时也能提供整体的低比重，这就获得了高刚度-重量比，因此夹芯复合材料在保证力学性能的同时可显著减轻重量，以轮船车体为例，在不折损结构刚度和强度的前提下，减重可以提升动力产品加速性能、操纵性能和运能能力，而运能的提升对降低成本和对环境的冲击有着积极的影响。图1-2夹芯复合材料示意图Figure1-2Schematicdiagramofsandwichcomposites由上可知，夹芯复合材料具备了结构和功能一体化的特点，作为新型结构复合型材料，发挥了各组成材料的性能优势，达到整体最优化的效果。由于其具有优异的吸能和抗冲击特性，同时比强度高、刚度好，可有效应用于防护工程中，来代替传统实体防护材料作为抗爆和抗冲击的吸能材料。而随着泡沫铝材料诸多特性逐步被认识，围绕泡沫铝开展的应用制品的设计和开发工作已成为当前材料科学研究的热点，如泡沫铝夹芯板复合结构技术的成功
江南大学硕士学位论文10了材料参数和冲击能量对冲击过程中力学响应的影响，并通过试样外观形貌和横截面图像分析夹芯复合材料的变形特征和损伤规律，揭示低速冲击下夹芯复合材料的损伤机理。（4）结合脉冲整形技术和高速摄影技术进行不同应变率下UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的SHPB冲击试验，研究夹芯复合材料的应力应变状态及对应状态下试件变形特征。结合准静态压缩、低速冲击和SHPB冲击试验结果，重点分析UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料的应变率效应和抗冲击损伤机理。本课题采用的研究技术路线如图1-3所示：图1-3研究技术路线Figure1-3ResearchTechnologyRoute1.4.2本课题的创新点（1）将致密的纤维增强复合材料与低密度的多孔材料组合成夹芯复合材料，解决闭孔泡沫铝因强度不高而应用受限的问题，充分发挥二者功能和结构上的优势，实现多材料和多层次的创新功能组元结构设计，从而达到整体结构显著的防护性能。（2）制备多种材料配置的UHMWPE/泡沫铝夹芯复合材料，并进行不同应变率下全方面动态冲击实验测试，系统地运用单因素分析、比较研究等方法给出不同加载条件下应力应变状态所对应的动态变形形态。深入讨论和分析材料参数和冲击参数对夹芯复合材料冲击力学行为的影响，为设计多层异质防护板提供理论参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纤维用超高分子量聚乙烯研究进展[J]. 唐璐,郭正阳,雷世龙,刘萃莲,王迎. 石油化工. 2019(08)
[2]泡沫铝材料的制备技术及其应用研究概述[J]. 赵河闯,朱艳超,田键,李涛,张祥. 有色金属加工. 2018(06)
[3]世界泡沫铝的发展及其市场分析[J]. 姜玉敬. 中国金属通报. 2017(04)
[4]爆炸载荷下泡沫铝夹芯板变形与破坏模式的实验研究[J]. 王涛,余文力,秦庆华,王金涛,王铁军. 兵工学报. 2016(08)
[5]超高分子量聚乙烯纤维性能及生产现状[J]. 李建利,张新元,贾哲昆,赵领航,王建新. 针织工业. 2016(06)
[6]Hopkinson压杆技术在中国的发展回顾[J]. 胡时胜,王礼立,宋力,张磊. 爆炸与冲击. 2014(06)
[7]UHMWPE/LLDPE复合材料层板低速冲击及冲击后压缩性能实验研究[J]. 张典堂,陈利,孙颖,孙绯. 复合材料学报. 2013(S1)
[8]泡沫铝材料制备方法现状[J]. 王应武,叶金龙,夏宇,杨少杰,曹颖,周颖,王志勇. 轻金属. 2013(09)
[9]超高分子量聚乙烯纤维UD防弹材料市场前景[J]. 赵莉,谢雄军. 纤维复合材料. 2010(03)
[10]国内外超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用[J]. 顾超英,赵永霞. 纺织导报. 2010(04)
博士论文
[1]基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究[D]. 吕太洪.中国科学技术大学 2018
[2]超高分子量聚乙烯高性能纤维纺制过程中结构演变机理研究[D]. 曹田.中国科学技术大学 2018
[3]泡沫铝材料的吸能与防爆特性研究[D]. 刘欢.东北大学 2014
[4]玄武岩纤维/泡沫铝复合板的冲击力学行为研究[D]. 唱忠良.哈尔滨工程大学 2014
[5]不同材料靶板的抗弹性能研究[D]. 吴乔国.中国科学技术大学 2012
[6]复合材料层板高速冲击损伤研究[D]. 古兴瑾.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]泡沫铝夹芯板细观结构及抗侵彻能力研究[D]. 冯阳.中北大学 2016
[2]碳纤维复合材料防护门抗冲击性能研究[D]. 岳金.武汉理工大学 2015
[3]新型复合泡沫铝夹层板抗爆性能研究[D]. 张东新.哈尔滨工业大学 2011
[4]闭孔泡沫铝夹芯板抗冲击性能研究[D]. 明如海.哈尔滨工程大学 2009
[5]复合材料层压板残余应力的研究[D]. 温磊.北京航空材料研究院 2000
本文编号：3137849
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