碳纳米管薄膜细观侵彻过程接触摩擦力学机制研究

High performance carbon nanotube (CNT) film is a type of novel CNT macro-aggregate, which has become a hotspot owing to its excellent strength and ductility, but the investigation of its anti-penetration properties are still limited. Generally speaking, the protective performance of CNT film is largely determined by its inherent properties, but the effect of the contact state between the indenter and film cannot be neglected. This project attempts to establish the meso-scale transverse penetration and dynamic friction techniques for investigating the velocity dependent anti-penetration mechanisms of CNT film. The project mainly pay attention to uncover the mechanisms of energy dissipation with the effect of penetration velocity and contact state from the perspective of contact and friction, and reveal the penetration deformation and failure mechanisms of CNT film with the evolution of contact state. The coupling relationships between meso-scale and macro-scale penetration will be established based on the multi-scales penetration tests, then get insight into developing the mechanics penetration model in consideration of the contact parameters for clarifying the velocity-dependent penetration process. From the investigation of the penetration deformation and damage mechanism of CNT film, the regulation of contact surface will be proposed for improving the anti-penetration properties of CNT film. This research has important guideline for designing the protective 2D film-like structure and accelerating its application.

碳纳米管薄膜是一种新颖的碳纳米管宏观聚集体，其较高的强度和韧性使其成为新材料研究的热点，而关于其抗侵彻性能的研究尚欠缺；一般而言，薄膜内在的力学属性很大程度上决定了其防护性能，但弹头与薄膜的接触状态对其抗侵彻的影响也是不可忽略的。本项目试图发展细观侵彻以及动摩擦实验技术来研究碳纳米管薄膜抗侵彻的速度敏感性机理，以接触状态为切入点，从动摩擦系数的角度揭示侵彻能量耗散与速度、接触状态之间的联系，阐明表面接触状态对碳纳米管薄膜变形与失效的作用机理；基于多尺度的侵彻实验研究薄膜细观与宏观抗侵彻性能之间的耦合关系，由此理论发展基于接触内部变量的力学模型来阐释碳纳米管薄膜侵彻过程中的速度作用机制。项目将在揭示接触状态对碳纳米管薄膜抗侵彻机理影响的基础上，提出调控接触变量设计碳纳米管薄膜抗侵彻防护的机理，具有重要的基础科学研究意义。

当工程防护结构变得越来越薄时，界面对薄膜横向抗冲击性能的作用变得越来越显著。碳纳米管（carbon nanotube, CNT）薄膜具有优异的比强度和比韧性，同时具有优良的导电性和储能特性，在人工肌肉、电子屏蔽及冲击防护等领域都具有广泛的应用前景。目前相关研究主要集中在 CNT 薄膜的准静态力学性能，其横向抗冲击力学性能方面的研究尚欠缺。本项目设计了宏/细观横向侵彻和界面动摩擦实验技术，研究了薄膜的界面动态防护特性。结果表明改变子弹与薄膜的前表面接触状态可提升薄膜的吸能能力，通过水、润滑油、高真空润滑脂等界面改性，可以提升双层 CNT 薄膜的抗冲击力学性能和吸能效果。阐明了薄膜前表面状态对单层薄膜抗侵彻性能的影响效果，揭示了中间层界面状态对双层碳纳米管薄膜在静动态加载下不同的作用机制。在低速侵彻下，表面“润滑”会降低能量吸收率，然而在10m/s至200m/s的高速侵彻下会提高薄板的横向动态抗侵彻性能。动态滑移摩擦实验也进一步表明，在较高的法向载荷下，润滑剂的作用效果不明显，但在较低的法向载荷下，润滑剂起到强化的作用。界面润滑膜避免了介质之间的直接接触，减少了应力集中，增加了薄膜的局部塑性变形，进而增加了能量耗散特性。在此基础上，结合数值模拟和理论分析了薄膜受冲击后的变形特性与能量吸收机理。由于防护结构一直在追求薄而轻，因此表/界面异常增强与增韧的特性更应予以考虑。这些研究结果有助于更好地理解新型碳基薄膜的冲击能量吸能机理，为防护结构设计提供参考。