基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

7B52叠层铝合金准静态及动态响应和本构模型研究

为研究装甲车用7B52叠层(7A62/7A01/7A52)铝合金板的力学性能及本构模型,开展7B52叠层板及各单层铝合金板的准静态压缩和动态冲击试验,获得各自的应力-应变关系和Johnson-Cook(J-C)本构模型。结果表明：当应变率为950～1 720 s^-1时,7B52和7A62的流变应力随应变率增大而升高,材料表现出较高的应变率敏感性;应变率为1 720～2 100s^-1时,应变率敏感性降低;应变率为1 100～3 022 s^-1时,7A01和7A52的流变应力基本不变,其应变率敏感性较低;在高速冲击载荷下,7B52叠层板比7A62和7A52铝合金的延展性最大分别提升67%、26%,而与7A01铝合金相比,提升72%;7A62在准静态压缩下,发生剪切破坏;7B52在准静态压缩下,硬质层7A62与7A01中间层界面首先破坏,剪切带在7A52软层中形成。在准静态压缩下,7B52比7A62吸能提升131%,在0.25 MPa冲击载荷下,吸能提升54%,而在0.45 MPa和0.65 MPa冲击载荷下,两者吸能水平接近...     

海绵橡胶非线性静动态力学特性和本构关系

针对海绵橡胶的物理特性展开了准静态单轴压缩实验和分离式Hopkinson压杆动态压缩实验,得到海绵橡胶材料的应力-应变曲线,并对材料的应变率效应及材料的变形和破坏特性进行深入分析,在此基础上给出材料的动静态本构关系。结果表明:海绵橡胶材料在准静态加载下,应变大于0.3时,应力-应变曲线才开始偏离坐标轴,表现出非线性特征;在冲击载荷下,海绵橡胶的应变率效应并不明显。     

海绵橡胶非线性静动态力学特性和本构关系

针对海绵橡胶的物理特性展开了准静态单轴压缩实验和分离式Hopkinson压杆动态压缩实验,得到海绵橡胶材料的应力-应变曲线,并对材料的应变率效应及材料的变形和破坏特性进行深入分析,在此基础上给出材料的动静态本构关系。结果表明：海绵橡胶材料在准静态加载下,应变大于0.3时,应力-应变曲线才开始偏离坐标轴,表现出非线性特征;在冲击载荷下,海绵橡胶的应变率效应并不明显。     

铜锌合金的动态力学特征及本构关系

为准确可靠的拟合铜锌合金在高应变率下的本构模型,用霍普金森压杆(SHPB)装置和电子万能试验机分别对帽形、圆柱、拉伸试样进行动态冲击试验和准静态拉伸试验,得到不同应变率下的应力-应变曲线,进而得到JohnsonCook本构模型相关参数。结果表明：剪切应变率为6.3×10⁴～7.8×10⁴s^-1时,铜锌合金表现出明显的应变率强化效应及热软化效应;在真实压缩应变率为1 400～2 245 s^-1时,用线性拟合获得的应变率强化参数能反映铜锌合金的动态力学特性,但不能准确反映其在更高应变率下的动态力学性能;用Cowper-Symonds应变率强化效应系数修正公式得到符合较高应变率下的应变率强化参数,C₁、C₂分别为2.0×10^-3、0.71,修正后的Johnson-Cook本构模型计算结果与试验数据吻合度较高,说明可有效预测铜锌合金的动态力学性能。     

氟聚物基活性材料动态压剪实验研究

针对典型聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)(质量分数73.5%/26.5%)氟聚物基活性材料,开展不同应变率、不同温度下的准静态、动态压缩实验;基于不同预设剪切带宽度的帽状试样,开展不同应变率下的动态压剪实验。准静态(应变率10^-3 s^-1)及不同应变率(3×10³～7×10³ s^-1)、不同温度(20℃,100℃,150℃,200℃)条件下的动态压缩实验表明,PTFE/Al活性材料是一种典型的弹塑性材料,具有显著应变硬化、应变率强化和热软化效应。不同宽度(500μm, 300μm, 100μm)预设剪切带帽状试样动态压剪实验表明,剪切带宽度不同导致的局部温升和热效应对材料动态压剪力学响应及材料参数影响显著。     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

4A11铝合金热变形行为与热加工图

用热压缩模拟方法研究总压缩量为60%、变形温度为380～460℃、应变率为0.01～10 s^-1下4A11铝合金的流变特征和物理模型；建立了基于峰值应力的本构方程，构建了应变量为0.6时的热加工图。结果表明：压缩过程中真应力变化是加工硬化和动态软化协同作用的结果；变形温度为380～460℃、应变率为0.01～1 s^-1的区域为合金最佳工艺参数范围。     

以RDX为基的浇注PBX力学性能与本构模型

为研究一种黑索今(RDX)基浇注高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能与本构模型,利用INSTRON材料试验机及改进分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行了准静态和动态单轴压缩实验,获得了材料在10-4~10-2s-1及843~1490 s-1应变率范围内的应力-应变曲线。结果表明:该浇注PBX的变形过程分为线性段、强化段和软化段。准静态加载下该浇注PBX具有明显的应变率效应,其弹性模量、压缩强度、临界应变与相对对数应变率之间近似呈线性关系;而在实验应变率范围内,动态加载下特别是加载初期应变率效应不明显,同时发现其破坏准则由应力控制,材料在12MPa附近发生破坏。借鉴推进剂及橡胶材料本构关系的研究结果,分别提出了能描述浇注PBX一维动、静态压缩力学行为的率相关本构模型,该模型与实验结果误差小于10%吻合较好。     

石墨烯增强铝基SiC复合材料力学性能研究

为研究石墨烯增强铝基SiC复合材料的力学性能,用万能材料试验机及分离式霍普金森压杆装置,在10~(-3)~5 200s~(-1)应变率内进行试验,计算得到常温条件下两组试验数据的真应力-应变曲线,用该压缩数据拟合Johnson-Cook(JC)及Cower-Symonds(CS)本构模型参数;并对两种压缩试验下的试件进行金相观察。结果表明:石墨烯增强铝基SiC复合材料具有明显的应变率硬化效应;拟合结果显示CS模型能更准确地描述该材料的应变率硬化效应;在宏观与微观下,裂纹均表现为向斜45°方向演化发展,在光镜下,将压缩试件在同一比例标尺下与原试件对比,准静态后的试件与动态压缩后的试件均发生整体颗粒细化,且随着应变率提高,沿裂纹方向的颗粒细化明显加剧。     

爆炸载荷下铝粉与橡胶复合材料中的冲击波传播特性

为研究爆炸载荷下冲击波在铝粉与橡胶复合材料中的传播规律,利用药柱加载的试验方法,采用锰铜压阻传感器测得铝粉体积含量为30%～60%的试样中6.50～14.25 GPa范围内的冲击波压力数据,结合材料的细观结构分析其对冲击波的衰减机理。通过试验与数值模拟相结合的方法获得冲击波在50%铝粉含量试样中的衰减规律。结果表明：在相同装药特性产生的爆炸载荷作用下,15 mm传播距离处的冲击波压力随铝粉含量的增加而先减小、后增大;铝粉含量为50%的含铝橡胶对冲击波的衰减能力最强,这与其表现出较强的黏性本构行为相关,数据拟合得到其冲击波压力衰减系数为0.066 8.     

铝含量对铝-聚四氟乙烯反应材料准静态压缩力学响应和反应特性的影响

为了研究铝含量对铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)反应材料准静态压缩力学响应和反应特性的影响,通过特定的冷压和烧结工艺,制备了4种不同Al含量的Al-PTFE试件,并进行准静态压缩试验。结果表明,铝含量影响材料的力学响应和失效模式,进而影响材料的反应特性;含有16 wt%Al的试件部分反应,26 wt%Al的试件完全反应,36 wt%Al和46 wt%Al的试件未发生反应;在反应的两类试件中观察到张开型裂纹和剪切裂纹,而在未反应的试件中仅观察到剪切裂纹。     

碳化硅与聚脲纳米复合材料拉伸力学性能和本构模型

聚脲作为一种涂层或夹层材料被用在爆炸冲击领域,对目标结构具有良好的防护作用.为研究聚脲材料的力学性能,利用万能试验机和分离式霍普金森拉杆试验装置对聚脲材料分别进行准静态和动态拉伸加载试验.得到碳化硅与聚脲纳米复合材料在低应变率(0.001～0.1 s-1)和高应变率(1260～4500 s-1)范围内的真应力-真应变曲...     

激光驱动准等熵压缩实验研究

利用激光驱动的等离子体实现平面准等熵压缩是近年发展起来的一种新型动高压加载方式,同时也是目前加载应变率最高的准等熵压缩方式,该技术为研究材料准等熵压缩特性和物态方程提供了一条新的途径。探索了激光驱动下平面准等熵压缩的实验技术,在100J固体激光器上成功开展了金属样品的准等熵压缩实验,利用位移干涉测速技术获取了Al/LiF样品界面的速度历史,在样品中获得了接近500m/s的原位粒子速度,应变率达106s-1,准等熵压缩峰值约7GPa.     

TiB2-B4C复合陶瓷动态压缩特性研究

为分析TiB₂-B₄C复合陶瓷的静动态力学性能及添加剂TiB₂的影响机制,设计了静动态压缩实验和平板撞击实验,开展了复合陶瓷在不同应变率下的动态压缩特性研究。结果表明：一维应力波加载下TiB₂-B₄C复合材料具有陶瓷材料的脆性特征,应力-应 变曲线呈典型的线性关系;由一维应变加载下试样的自由面速度历程可知,复合材料的Hugoniot弹性极限在14.98~16.91 GPa之间,且随着应变率的增加而增加;应变率低于10³ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的动态压缩强度高于单相B₄C和单相TiB₂陶瓷,且具有正相关的应变率敏感性,复合材料强度的提升得益于微观结构的改善,而应变率敏感性主要受添加剂TiB₂的强化增韧媒介影响;然而,应变率高于10⁴ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的Hugoniot弹性极限接近基体B₄C陶瓷,而受添加剂TiB₂的影响较小。     

THV基活性材料力学性能与点火反应特性

为研究铪/四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(Hf/THV)活性材料的力学性能与点火反应特性,采用溶剂蒸发-热压烧结法制备不同配比的Hf/THV试件,并开展准静态压缩试验与基于分离式霍普金森压杆的动态加载试验。研究结果表明：Hf/THV在动态加载下发生瞬间断裂,导致断裂处温度急剧升高形成热点、引发点火反应;THV的应变软化影响Hf/THV的力学性能和失效模式,进而影响材料的点火反应;质量含量62%Hf的Hf/THV试件由于明显的应变软化而表现出较强的塑性变形能力,动态加载持续较长时间后才有极少部分发生断裂,导致反应延迟时间较长且非常微弱;质量含量88%Hf的Hf/THV试件强度较高且脆性较强,动态加载持续较短时间内便能发生大范围断裂,导致反应延迟时间短且比较剧烈,但氧化剂THV的减少导致反应不充分。     

Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观机制

为阐明含能结构材料冲击反应机理,开展以Al/Ni粉末复合材料为代表的含能结构材料冲击反应细观模拟研究。基于Al/Ni粉末复合材料的扫描电镜照片建立细观有限元模型,并结合Mie-Grüneisen状态方程描述Al/Ni粉末复合材料冲击压缩行为。在此基础上,基于反应扩散模型建立考虑多组分固相反应的Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观模型,分析细观尺度上物质输运过程、冲击反应演化规律及冲击波传播特性。研究结果表明：Al/Ni粉末复合材料在冲击压缩速度(即粒子速度)为400 m/s时仅发生了微弱的化学反应,且化学反应程度随着冲击压缩速度的增大的加剧;化学反应最初发生于Al-Ni界面处,然后垂直于界面发展;冲击反应将引起材料冲击温度和压力的增高,同时对冲击波的传播起到强化作用。