瓦斯隔爆抑燃SiC/Al力学性能及周期性反带隙共振结构优化

针对瓦斯防爆、装甲防护等领域对高温、抗冲击、吸能材料的重大需求，研究瓦斯爆燃下三维连续增强SiC/Al复合材料的动态本构建模及其冲击动力响应、抗爆吸能行为、几何结构参数反带隙共振优化设计与实验验证。以细观力学建立该复合材料的微元本构，以数值模拟结合物理实验，探索裂纹演化、界面解离、局部损伤机制和破坏准则，揭示局部增强增韧的细观机理与其力学参量、宏观强度、韧度间的关系；明确构型与界面控制、表征评价与复合结构的损伤失效机理；研究该材料火焰淬熄性能(临界速度、压差、淬熄量)，明确其结构参数与火焰传播作用的规律；以二维带隙计算模型找出振动反带隙共振的频率范围，并在物理上实现该新型复合材料的细观结构优化设计，并用物理实验验证。上述研究将突破若干复合制备与成型加工技术瓶颈，为发展结构功能一体化的先进三维连续增强SiC/Al复合材料提供技术原型和科学基础，也可为类似的材料设计和制备提供一种类比的研究模式

针对煤矿瓦斯防爆、装甲防护和其它特殊领域对抗冲击、吸能材料的重大需求，研究三维连续增强的陶瓷/金属(SiC/Al)复合材料在多场作用下的相关复合结构及其演化规律，通过考虑微元结构对陶瓷、金属等动力学性能影响的数值模拟，明确构型与界面控制、表征评价与复合结构的损伤失效机制，揭示其结构和性能之间的内在规律。.（1）研究的重要线索即为对陶瓷/金属(SiC/Al)复合材料吸声系数的研究。利用相似原理获得爆炸波物理意义下的多孔材料的弹性吸能公式。用声波相似模拟了瓦斯爆炸波的动力学性质，通过基于Biot理论的JCA模型，考虑多孔介质黏惯性效应和热耗散效应，建立多孔陶瓷刚性和弹性吸声系数模型，并通过模型实验法用声波相似模拟瓦斯爆炸波研究了爆轰横波的衰减特性。结果表明新模型的计算数据与实验数据吻合良好。吸声系数随入射频率的增大而增大，且表现为周期函数的特征。.（2）建立三维连续增强的陶瓷/金属复合材料几何结构参数与材料吸能规律之间的关系；获得材料主要吸能规律与材料结构排布之间的的关联准则；实现材料各层次结构性能的准确预报。重点分析了微结构中三角形边长（杆长）和壁厚（杆件半径）及多孔材料初始孔隙率、材料厚度、温度变化和压力变化等对吸声系数的敏感顺序。考虑弹性意义下材料柔度矩阵的各个分量均与相对密度成反比，即材料沿各个方向的有效弹性模量和剪切模量均与相对密度成正比，发挥拉伸主导型结构的优势（与拉伸主导型结构相比，弯曲主导型结构的有效弹性模量与相对密度的三次方成正比）。研究结论表明：.三维三角结构多孔陶瓷动态孔隙率对各参数的敏感性顺序为：压力<温度<初始孔隙率<杆长 <杆半径 ；陶瓷/金属复合结构中为：压力<温度<初始孔隙率<三角形边长l<壁厚。.三维三角结构多孔陶瓷中吸声系数对各参数的敏感性顺序为：压力<温度<初始孔隙率<材料厚度<杆长<杆半径 ；陶瓷/金属复合结构中为：压力<温度<初始孔隙率<材料厚度<三角形边长<壁厚。.（3）研究发现三维连续增强的陶瓷/金属(SiC/Al)的吸声系数与外界激励频率之间的周期性符合课题申请初期提出的研究设想，且这类关联随材料结构参数的优选而改变周期，变化的周期性特征明显。这为进一步人为设计/控制材料的带隙频率范围，在细观尺度上实现把连续的材料设计成符合工况要求的周期性结构，利用带隙特性实现材料抗振控制。