我科研團隊采用脈沖電流改善復(fù)合材料抗沖擊性能

(資料圖片僅供參考)

科技日報記者 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)院王富生教授團隊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)揭示了脈沖電流對正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的抑制機理。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于國際期刊《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，對飛行器和土木工程等結(jié)構(gòu)的安全帶來威脅。此前，對于提升復(fù)合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等方面考慮，但對改善復(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)電機理與沖擊前后的電-磁-力-熱耦合示意圖。

設(shè)計搭建的一體化實驗平臺和三維正交編織復(fù)合材料在脈沖電流作用下的沖擊損傷抑制機理。

對此，王富生教授團隊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)計搭建了落錘沖擊試驗機、電流源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等一體集成的實驗平臺，實現(xiàn)了脈沖電流和沖擊力對正交編織復(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械性能；紗線中微裂紋的形成和擠壓變形會引起碳纖維之間局部電流的重新分布，其與自場相互作用會產(chǎn)生抗沖擊效應(yīng)。基于材料-結(jié)構(gòu)-功能的一體化設(shè)計思想，有效控制脈沖電流對復(fù)合材料熱效應(yīng)的影響。研究人員介紹，此項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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