冲击荷载下环氧树脂的微颗粒增韧机制实验和数值模拟研究

To explore the factors influencing dynamic failure of particle-modified polymer and to reveal its toughening mechanisms under dynamic loading are the key problems of materials in engineering applications. The project purpose is to dynamic failure mechanisms of particle-toughened epoxy resin and further to establish the dynamic impact failure law of particle-toughened epoxy resin. The main research contents include: (1)The sensitivity of microparticle on dynamic impact failure is investigated by dynamic impact propagation experiments of nano/micro-scale particle-toughened epoxy resin and the influence of different factors on dynamic failure is analyzed; (2)Using high speed camera system, dynamic impact fracture process of particle toughened epoxy resin is analyzed, and the microscopic failure morphology under different factors is obtained, microscopic failure characteristics of particles toughened epoxy resin is given, the microscopic toughening mechanism under dynamic impact loads is revealed; (3)Using the FCC Numerical model and USDFLD damage program, Damage failure process of nano/micro particles-toughened epoxy resin is investigated. This project presents dynamic impact failure mechanisms of particle-toughened epoxy resin using experiment and numerical simulation method, its research results can provide reference for engineering applications of particle-modified epoxy resin.

探寻影响颗粒改性聚合物的动态破坏因素，揭示其在动态荷载下的增韧机制是材料在工程应用的关键问题。本项目以颗粒增韧环氧树脂材料的动态破坏机理为目标，力图建立颗粒增韧环氧树脂的动态冲击破坏规律。其主要研究内容为：（1）分别对"纳米/微米"颗粒增韧的环氧树脂材料进行动态冲击扩展实验研究，分析动态冲击破坏对微颗粒的敏感性，建立不同因素对动态破坏的影响规律；（2）采用高速摄像系统，分析在裂纹尖端颗粒增韧环氧树脂的动态冲击扩展断裂过程，研究不同因素下的微观破坏形貌，给出颗粒对增韧环氧树脂材料的动态微观失效特性，揭示动态冲击荷载下的微观增韧机制；（3）采用FCC数值分析模型，引入自编写的USDFLD损伤程序，重点研究在裂纹尖端"纳米/微米"颗粒增韧环氧树脂的损伤破坏过程。本项目采用实验结合数值模拟等方法，建立不同因素下的动态冲击破坏机制，其研究成果，可为颗粒改性环氧树脂在工程中应用提供技术支持。

微纳米颗粒效应与动态断裂机制的内在关系，是动态破坏机理的关键科学问题，明晰其扩展规律和增韧机理等方面的研究已成为力学界所关注的热点问题之一。本项目研究了微颗粒增韧树脂材料的扩展破坏机理，揭示了颗粒的不同因素与对动态性能的相互关系，建立微颗粒对增韧树脂的动态影响规律和破坏机制。.主要研究内容以及取得的重要结果：.（1）采用不同的方法构筑了不同微颗粒、不同含量、不同界面特征的复合材料，基于DIC和传统测量方法，对其微颗粒复合材料进行了动态弯曲和压缩等实验研究，揭示了颗粒尺寸、分布等因素对颗粒增韧环氧树脂复合材料宏观破坏的影响机理，结果发现：在动态破坏条件下，“微米颗粒效应强于纳米颗粒效应”的新机理，相反于准静态条件下的增韧机理，在特定的微纳米含量等因素下，因“微颗粒的效应”的存在增韧环氧树脂材料强于纯环氧树脂材料。.（2）基于对不同断口的微观表征分析，研究了不同尺度、不同体积分数等因素下微颗粒增韧材料的微观破坏形貌，揭示了颗粒尺寸及体积分数与微观破坏规律的内在关系，研究结果发现，在冲击荷载在微米颗粒的主要增韧机制在于裂纹的转折效应，该效应强于纳米及颗粒增韧树脂的效果，同时发现，微颗粒的界面效应是影响材料力学性能的重要因素，相比于未处理的界面，“偶联剂的界面效应”使微颗粒增韧环氧树脂效果较好。.（3）基于自编写的USDFLD 损伤程序，建立了面心立方体（FCC）分析模型，研究了界面性能、不同含量等因素与改性材料的内在破坏规律，在此基础上，进一步研究了刚性颗粒和柔性颗粒的增韧机理，发现在“刚性微颗粒”与“柔性颗粒”的协同作用机制作用下，柔性橡胶颗粒的空化吸收了外场的作用能量。.（4）基于所揭示“微颗粒界面效应”的机制，将微颗粒引入纤维表面，进行了所构筑的复合材料力学性能的研究，揭示了“微颗粒界面效应”与纤维复合材料力学性能的内在规律，研究发现，“微颗粒界面效应”的裂纹偏转机制提高了复合材料的力学性能。