我科研團(tuán)隊(duì)采用脈沖電流改善復(fù)合材料抗沖擊性能

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科技日?qǐng)?bào)記者 史俊斌

27日，記者從西北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校力學(xué)與土木建筑學(xué)院王富生教授團(tuán)隊(duì)提出了一種采用脈沖電流來改善三維正交編織復(fù)合材料抗沖擊性能的方法，并系統(tǒng)揭示了脈沖電流對(duì)正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的抑制機(jī)理。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《自然·通訊》。

據(jù)了解，航空、航天和土木等工程領(lǐng)域中，碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷容易出現(xiàn)纖維斷裂、樹脂破壞和分層等損傷形式，降低復(fù)合材料的承載能力，對(duì)飛行器和土木工程等結(jié)構(gòu)的安全帶來威脅。此前，對(duì)于提升復(fù)合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面考慮，但對(duì)改善復(fù)合材料的抗沖擊性能仍存在局限性。

三維正交編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機(jī)理與沖擊前后的電-磁-力-熱耦合示意圖。

設(shè)計(jì)搭建的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和三維正交編織復(fù)合材料在脈沖電流作用下的沖擊損傷抑制機(jī)理。

對(duì)此，王富生教授團(tuán)隊(duì)與合作者將編織物的結(jié)構(gòu)特性和碳纖維的電磁特性相結(jié)合，提出了一種降低三維正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的策略。利用無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、電流源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等一體集成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了脈沖電流和沖擊力對(duì)正交編織復(fù)合材料的協(xié)同加載。

研究結(jié)果表明，隨著脈沖電流峰值從0A增加到110A，三維正交編織復(fù)合材料板的非彈性能量和殘余變形分別減少了35.81%和47.64%。多尺度多物理場(chǎng)建模分析表明，載流碳纖維使得紗線束受到了橫向壓縮性質(zhì)的電磁體力，有利于提升紗線的機(jī)械性能；紗線中微裂紋的形成和擠壓變形會(huì)引起碳纖維之間局部電流的重新分布，其與自場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生抗沖擊效應(yīng)。基于材料-結(jié)構(gòu)-功能的一體化設(shè)計(jì)思想，有效控制脈沖電流對(duì)復(fù)合材料熱效應(yīng)的影響。研究人員介紹，此項(xiàng)研究成果可以為提高復(fù)合材料在沖擊載荷下的損傷容限提供新途徑。

（受訪者供圖）

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