高應(yīng)變率加載下復(fù)合泡沫塑料的吸能特性及失效機(jī)理研究

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高應(yīng)變率加載下復(fù)合泡塑料的吸能特性及失效機(jī)理研究盧子興1，2，袁應(yīng)龍1（1.北京航空航天大學(xué)固體力學(xué)研究所，北京100083；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100080）密度復(fù)合泡沫塑料在高應(yīng)變率加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能基于所獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)一步分析和討論了復(fù)合泡沫塑料的能量吸收特性，發(fā)現(xiàn)材料最佳吸能點(diǎn)的包絡(luò)線是同一直線此外，通過動(dòng)態(tài)變形試件的掃描電鏡分析，還研究了這類新材料的動(dòng)態(tài)失效問題?！　∈辗w日期：2001-10-18；收修改穡日期：2⑴2-13-15基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（10072007），NSAF聯(lián)合基金和教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金（教外司留| 2001|345）資助項(xiàng)目復(fù)合泡沫塑料是重要的工程防護(hù)材料，它是將空心微球填充到樹脂基體或泡沫塑料中而制得的一種新型復(fù)合材料與普通泡沫塑料相比較，復(fù)合泡沫塑料具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如密度易于控制，機(jī)械性能較高，是一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料。因此，它在航空、航天和航海等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景由于這類材料經(jīng)常用于包裝沖擊防護(hù)和爆破防護(hù)等方面，所以它們的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為受到工程界的普遍關(guān)注雖然前人對(duì)復(fù)合泡沫塑料的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能已有一些研究，但多數(shù)工作僅限于兩相復(fù)合泡沫塑料（空心球填充復(fù)合材料），對(duì)三相復(fù)合泡沫塑料（空心球填充泡沫塑料）的研究甚少，尤其是對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究未見報(bào)道最近，我們針對(duì)三相聚氨酯復(fù)合泡沫材料進(jìn)行了比較廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，并在的介紹，評(píng)價(jià)泡沫材料的吸能特性主要采用吸能率曲線和能量吸收?qǐng)D吸能率曲線的方法最初由MiltZ5等提出，他們用E（Efficiency）參數(shù)來表示泡沫塑料的吸能率，用/（Ideality）參數(shù)來表示其理想的吸能率其中，E參數(shù)定義為真實(shí)泡沫塑料試件壓縮到最大應(yīng)變X所吸收的能量同具有相同尺寸的理想泡沫塑料試件完全壓縮并傳遞相同的最大應(yīng)力e時(shí)所吸收能量的比值，即而/參數(shù)定義為真實(shí)泡沫塑料和理想泡沫塑料試件壓縮到相同應(yīng)變所吸收能量的比值，即能量吸收?qǐng)D的方法是由Gibson，也有沿經(jīng)線方向的張開型裂紋、與壓縮方向成45度角的剪切裂紋和赤道面附近的彎折破壞（a）為橫截面內(nèi)胞體穿孔處的縱橫裂紋，尤其當(dāng)穿孔位于胞體的底部時(shí)，會(huì)在穿孔處沿經(jīng)線方向發(fā)出輻射狀裂紋；（b）為縱向截面內(nèi)與壓縮方向成45度角的胞體壁上的剪切裂紋；（c）為橫截面內(nèi)觀察到的垂直于載荷方向赤道面附近的裂紋此外，掃描電鏡的觀察還表明：復(fù)合泡沫塑料在動(dòng)態(tài)加載時(shí)，慣性力在泡沫塑料胞體的破壞中起了一定的作甩同時(shí)，胞體內(nèi)來不及流動(dòng)的氣體也會(huì)對(duì)材料的破壞產(chǎn)生影響。因?yàn)楦邞?yīng)變率大變形壓縮時(shí)，胞體內(nèi)氣體處于絕熱壓縮狀態(tài)，陡增的內(nèi)壓會(huì)使胞體壁的側(cè)壓迅速上升，有可能加速彎曲應(yīng)力對(duì)胞體赤道面附近造成的破壞，形成所謂的“爆炸”現(xiàn)象3結(jié)論空心玻璃微球填充聚氨酯復(fù)合泡沫塑料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能主要由密度因素決定，應(yīng)變率效應(yīng)只在高密度材料情況中才表現(xiàn)得比較明顯?！　〔煌瑧?yīng)變率和密度條件下，復(fù)合泡沫塑料最佳吸能點(diǎn)的包絡(luò)線是同一條直線，吸能率最高的點(diǎn)與能量吸收?qǐng)D上的最佳吸能點(diǎn)相對(duì)應(yīng)復(fù)合泡沫塑料胞體的動(dòng)態(tài)破壞形式主要有彎折、拉伸和剪切三種，但與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮相比，胞體彎折破壞的比例明顯增力卩。此外，慣性力和胞體內(nèi)的氣體壓力對(duì)胞體的動(dòng)態(tài)破壞也有一定的作用。