磁敏抗冲击复合材料的硬化机理研究

Impact-resistant polymer is a kind of intelligent soft material whose mechanical properties are highly sensitive to the strain rate. It has great application potential in the fields of vibration control, energy absorbing, body protection, and so on. At present, the understanding on the impact-hardening mechanism is from the Jamming theory in granular dynamics. However, the Jamming theory can not be used for the situation under tensile impact loading and its rationality under compressive impact loading has not been validated so far. The project intent to design a multi-functional impact-resistant composite whose microstructure can be controlled by magnetic field by dispersing magnetic particles into impact-hardening polymer, analyze the influence mechanism of key factors (temperature, magnetic field, particle content, particle distribution, and so on) on the dynamics response behaviors of composite, find the crucial experimental evidence for applying Jamming theory on the impact-hardening polymer, and establish the corresponding hardening model under the tensile impact loading. Based on the further understanding of the impact-hardening mechanism, it will provide theoretical guidance to enhance the impact-resistant performance of this kind of composite.

抗冲击聚合物是一类力学性能具有显著应变率敏感性的智能软材料，在振动控制，能量吸收和人体防护等领域有着巨大的应用前景。目前对抗冲击聚合物硬化机理的认识主要来自于散体动力学中的拥塞理论，但该理论在冲击拉伸条件下并不适用，在冲击压缩条件下的合理性也尚未得到充分地验证。本项目拟通过在冲击硬化聚合物中掺杂磁性颗粒设计一种微结构可由磁场进行调控的抗冲击多功能复合材料，分析关键因素（温度，磁场，颗粒含量，颗粒分布等）对材料的动力学响应行为的影响机制，找出将拥塞理论应用于冲击硬化聚合物的关键实验证据，并建立与之对应的在冲击拉伸条件下的硬化模型。在深入认识冲击硬化机理的基础上，为提高这类复合材料的抗冲击性能提供理论指导。

冲击硬化聚合物由于其模量会随加载应变率增加急剧增加，且大量冲击能量会在变化过程被吸收，因此在冲击防护、振动控制等领域有巨大的应用前景。通过在冲击硬化聚合物中掺杂磁性颗粒，一方面可以通过磁场调节进一步提升材料的抗冲击性能，另一方面对研究冲击硬化机理也有十分重要的作用。.本项目通过在冲击硬化聚合物中掺杂微米尺度的磁性颗粒设计了一种微结构可由磁场进行调控的抗冲击多功能复合材料，研究了该材料在外磁场作用下的应力松弛，Mullins effect，循环载荷作用下的能量耗散以及冲击压缩行为，并建立起用于解释力磁耦合行为的细观力学模型。在此基础上还开展了初步的应用研究，包括可用于主动和被动振动控制的高阻尼性能研究，基于磁敏复合材料的模糊相位逻辑控制器研究，γ辐射对磁敏复合材料动态模量的影响研究，以及高分子复合材料在循环载荷作用下的非线性粘弹性行为研究等。通过上述研究加深了对这类磁敏抗冲击高分子复合材料的力磁耦合机理及冲击硬化机理的认识，同时也为其在减振抗冲击领域的实际应用做出了一定的贡献。