复合材料三维变泊松比结构的设计、制备与抗冲击防护性能研究

Variable Poisson’s ratio (VPR) structures which consist of a positive Poisson’s ratio (PPR) region and a negative Poisson’s ratio (auxetic) region can combine the merits of both materials and offer excellent penetration resistance as well as force dissipation. Based on the background of ship collision protection and anti-explosion impact protection, the present project is focused on the design, fabrication and mechanical characterization of 3D multi-gradient composite VPR structures. The contents of the present project are as follows. Realizing high penetration resistance design of the VPR structures though Poisson’s ratio gradually changing design, hybrid composite design as well as collaborative design of density gradient, composition gradient and microstructure gradient. Developing low-cost, high-quality and practical manufacturing methods to fabricate 3D VPR structures. Research of the deformation mechanism, failure mode, impact protection mechanism as well as energy absorption characteristics of the 3D VPR structures using theoretical, numerical and experimental method. The results of the present project may provide the necessary theoretical supports and technical reserve for the engineering application of 3D VPR structures.

变泊松比结构在受冲击时能够结合负泊松比结构向受冲击区域集中和正泊松比横向膨胀的优点，因而具有优良的抗冲击防护性能。本项目以舰船碰撞防护和抗爆炸冲击防护为应用背景，开展复合材料三维变泊松比结构的设计、制备与抗冲击防护性能相关研究。研究内容包括：通过泊松比渐变设计、混杂复合材料设计以及结合密度梯度、组分梯度和微结构梯度的协同复合梯度设计，实现变泊松比结构的高抗冲击防护设计；开发成本低、成型质量好、适于工程应用的三维变泊松比结构制备工艺，突破阻碍该类结构发展和应用的瓶颈；通过试验、理论和数值相结合的方法研究结构的变形机理、破坏模式、抗冲击防护机理和能量吸收特性等。研究成果可为三维变泊松比结构的工程应用提供必要的理论依据和技术储备。

本项目以舰船抗冲击防护为应用背景，开展复合材料三维变泊松比结构的设计、制备与抗冲击防护性能相关研究。主要研究内容包括：复合材料三维变泊松比结构设计；复合材料三维变泊松比结构制备工艺；复合材料三维变泊松比结构力学性能表征与评价以及波纹板-管二维负泊松比结构和堆叠折纸三维负泊松比结构的设计、制备与结构力学性能研究。设计了多种形式的纤维增强复合材料三维双箭头形-八面体变泊松比结构和复合材料三维内凹-外凸变泊松比结构。提出了复合材料三维双箭头形-八面体变泊松比结构和复合材料三维内凹-外凸变泊松比结构的制备工艺。研究了复合材料三维双箭头形-八面体变泊松比结构和复合材料三维内凹-外凸变泊松比结构在准静态压缩载荷和低速冲击载荷作用下的变形机理、破坏模式和吸能特性。设计了变泊松比蜂窝结构，理论推导了各层结构的泊松比特性，并研究了变泊松比蜂窝结构的面内抗准静态压入性能。提出了复合材料波纹板-管负泊松比结构和复合材料堆叠折纸三维负泊松比结构的制备方法，并对结构在准静态压缩和低速冲击下的变形机理、破坏模式和吸能特性进行了研究。项目成果可为复合材料变泊松比结构的工程应用提供技术支撑。项目成果有望在舰船抗冲击防护、交通运输防撞抗冲击等领域得到应用。