剪切增稠复合材料的研制及其抗冲性能研究

Shear thickening materials are a novel kind of smart materials whose rheological properties take place an abrupt change when encountering a strike, thus they can be widely applied in vibration control, anti-impact, and body protection. Recently, with the increasing requirement of the body protection, shear thickening materials have attracted more and more attentions. Based on the pre-experiments, this application is focused on preparing the high performanced shear thickening composite materials, investigating the mechanical properties of these materials, optimizing the preparing method, and establishing the evaluation systems. The mechanical behavior of the composite materials under high strain rate will be investigated and the microstructure dependent mechanical properties will be analyzed. In this application, we will study the real mechanism of the shear thickening effect on improving the anti-impact properties, establish a correct dynamic model to describe the mechanical properties, and simulate the impact properties. The above study can supply much valuable information for understanding this kind of smart materials and further improve their applications in the engineering areas.

剪切增稠材料是一种新型智能材料，在振动控制、抗冲、防爆、人体防护等领域都具有重要的应用前景。随着近年来安全防护需求的日益增长，剪切增稠材料以其独特的力学性能在安全防护领域（如防弹衣）引起高度重视。针对目前人体防护材料的不足之处，本项目在已有的预研基础上，进行高性能剪切增稠复合材料的制备和力学性能研究，优化该抗冲击材料的制备方法，建立可靠的性能评价机制，从理论和实验两方面研究这种智能材料在高应变率条件下的力学行为，分析其力学性能与内在微观结构的关系，探索剪切增稠效应在提高抗冲击性能中的实际机理，建立能正确描述其力学行为的动力学模型，数值模拟其抗冲击性能，为这种新型智能材料的发展及其在工程实际中的应用提供理论和实验依据。

本项目针对剪切增稠复合材料的抗冲击性能，在材料的制备工艺、性能测试及机理分析等方面展开了全面的研究，历时4年，取得一系列成果。作为前驱工作，合成了粒径可控的纳米颗粒，通过改性颗粒表面、调整粒子结构，获得满足各种实验需求不同特征的分散粒子。研究制备条件和工艺，筛选出可控流变效应的高性能剪切增稠液体，并进一步研制出性能优异稳定的剪切增稠胶。选择合适的纤维织物与剪切增稠液（胶）复合，选择合适的涂层材料密封，研制出多种性能可控的剪切增稠复合材料。从实验和模拟两方面出发，系统研究了剪切增稠液（胶）及其复合材料的抗冲击性能。利用多种实验手段测试剪切增稠液（胶）及其复合材料在抗落锤、刀割、针刺、子弹等方面的防护性能。研究了剪切增稠液（胶）的微结构机理，并进一步分析了这种剪切增稠效应对提升复合材料抗冲击性能的增强机理，及其与材料内在微观结构的关系。本工作为这种新型防护材料的研发及其在工程实际中的应用提供理论和实验依据。项目执行期间，发表国际期刊论文27篇，被SCI收录27篇（1篇新发表还未录入），被EI收录25篇（1篇新发表还未录入）；申请专利2项，1项已被授权；已培养毕业博士生4名，硕士生1名。研究成果远远超过了申请时的预期。