界面形态对双层复合体系动态力学行为影响机理的研究

Interface configuration has a key effect on the dynamic mechanical behavior of a composite system. This project aims to study a double-layer composite system consisting of polymer/magnesium alloy and their interface, by designing the composite systems with different angles of interface and applied stress axial of 0o, 30o, 45o, 60o, 90o, using Hopkinson pressure bar to conduct the dynamic compressive tests at different strain rates, using high-speed camera to correct and analyze the dynamic deformation as well as record the real-time damage and failure behavior through the transparent polymer layer, using infrared camera to measure the temperature rise, and using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and so on to characterize the microstructures and patterns before and after loading. Analysis will be focused on: 1. Under the stress-thermo cooperative effect of a high-frequency stress wave and activated heat, the damage and failure behavior at different length scales at the interface, revealing the evolution of crack propagation and temperature rise with the stress-strain curve; 2. Comparing the dynamic mechanical properties and damage, failure mechanisms of the composite systems with different angles of interface and applied stress axial, exploring their evolution with the angle; 3. Forming the relation of interface configuration, strain rate, dynamic mechanical properties of composite system and damage, failure mechanism. This project is meaningful to directly and systematically reveal the damage, failure mechanism of the composite systems with different interface configurations, and also beneficial to design and develop a high-performance composite material and composite propellant.

界面形态对复合体系动态力学行为起关键性的影响作用。本项目以聚合物/镁合金双层复合体系及界面为研究对象，设计不同界面与加载应力轴夹角(0, 30, 45, 60, 90度)，利用霍普金森压杆进行不同应变率压缩实验，使用高速相机矫正分析并通过透明聚合物层实时记录损伤失效行为，使用红外相机测量温度升高，使用扫描电镜、透射电镜等表征加载前后微观组织形貌。重点分析：1. 高频应力波及其激活的热 (力热) 耦合作用下，复合体系界面处的不同长度尺度上的损伤失效行为，探索裂纹扩展、温度升高随加载应力应变曲线的演化过程；2. 比较不同界面形态的复合体系动态力学性能的速率敏感度和损伤失效机制，探索其随夹角的演化过程；3. 建立界面形态、应变速率、动态力学性能和损伤失效机制之间的关系。本项目有助于直观系统地认识不同界面形态的复合体系损伤失效机制及对动态力学性能的影响，有利于高性能复合材料和复合推进剂的设计研发。

恐怖袭击、航空航天，工业爆炸事故、个人安全等防护工程领域往往涉及到爆炸、高速冲击、高应变率等极端条件。这些领域都要求所使用的材料/结构及设备具有优异的动态力学性能，才能够胜任服役条件。当设备或工程结构需要满足防爆、抗冲击条件时，往往不得不增加其重量和体积，这样会引起整体结构设计的缺欠性。解决这个问题的方案，从材料学的角度上，对现有材料的开发及其复合化，从而达到物尽其能。复合材料在提高比强度、比刚度及结构整体性方面具有优越性。在防爆、抗冲击工程领域中，复合材料的研究和应用已崭露头角。在复合材料微观结构设计中，界面形态和力学行为的关系是材料科学的核心研究问题。.本项目以界面形态为研究对象，研究复合体系的动态力学性能。建立界面形态、应变速率、动态力学性能和损伤失效机制之间的关系，为复合材料设计提供科学支撑。给出了聚合物基复合材料静动态力学行为模拟方法；提出了关联基体材料与复合材料性能的均匀化数值模拟方法。并设计了透明防护结构、复合防护结构，经实弹打靶检测合格，满足防护标准，在我国科技部重大专项资助下研发的“重特大社会安全事件现场处置技术与装备-防暴警务平台”中得到了工程应用。