基于高掺量碳纳米管的韧性混凝土隐身防护结构基本性能研究

In recent years, with the capability of precision guided weapons to destroy targets improving continuously, the ground targets are increasingly threatened. It is of great scientific significance to carry out fundamental research on new materials and new structures of civil protection engineering. In this project, firstly, a high content carbon nanotubes UHTCC material is developed, which is of excellent property of wave absorption and impact resistance. Based on the material a new integrated structure of radar stealth protection was put forward. On the top of the structure (the incident side), there is a multi-layer functionally graded structure stacked by the material, which both enhance the ability of stealth and become the first line of defense against impact. At the same time, on the bottom of the structure (the tensile side), the UHTCC will make full of its toughness to prevent the structure from severe damage..Through the theoretical analysis and experimental study including the material’s basic mechanical properties, wave absorbing properties, dynamic mechanical properties and extra properties brought by the integrated structure, this project will enhance the capability of radar stealth of concrete in both scale of material and structure, providing technical assistance on military protection engineering.

随着精确制导武器对目标摧毁能力的不断提高，地面目标的生存能力日益受到严重威胁，开展军民防护工程新材料和新结构的基础研究，具有重要的科学意义。本项目首先研制出一种具有优良吸波和抗冲击能力的高掺量碳纳米管UHTCC材料，并提出一种隐身防护一体化新型结构。该结构的迎波面为基于高掺量碳纳米管UHTCC材料的功能梯度吸波结构，发挥其对各频段电磁波的吸收能力和防护性能，在有效隐身的同时作为抗冲击结构的第一层防线；底部受拉区为UHTCC材料，发挥其超高韧性和能量吸收能力，降低弹体对结构的侵彻和破坏。通过对高掺量碳纳米管UHTCC材料的制备及基本力学性能、吸波性能、动态力学性能及其功能梯度吸波结构、高掺量碳纳米管UHTCC材料-混凝土复合隐身防护结构抗冲击性能开展系统的理论分析和试验研究，从材料尺度到结构尺度提升混凝土结构的隐身防护能力,为提高军民防护工程的雷达隐身能力和抗冲击能力提供新的技术支持。

随着精确制导武器对目标监测能力和摧毁能力的不断提高，地面目标的生存能力正受到严重威胁，研究和发展雷达隐身技术成为各国国防体系建设过程中的重要方向之一；同时，开展军民防护工程新材料和新结构的基础研究也具有重要的科学意义。本项目基于高掺量碳纳米管超高韧性水泥基复合材料（UHTCC），充分发挥碳纳米管在水泥基材料中对吸波能力的提升和对抗裂性能的改善，同时有效利用UHTCC材料优异抗冲击性能，进行隐身防护结构的研究。项目主要包含以下方面的内容：针对碳纳米管在水泥基材料中易团聚、难分散的问题，研究了适用于水泥基材料的高掺量碳纳米管的有效分散方法和工艺技术，形成高掺量碳纳米管UHTCC的制备方法。开展了不同碳纳米管掺量下UHTCC材料的基本力学性能研究。研究了高掺量碳纳米管对材料吸波性能的影响规律和作用机制。针对碳纳米管UHTCC的吸波性能展开了系统性试验探究，包括碳纳米管种类、微观尺寸、掺量、PVA纤维、试件厚度等对材料吸波性能的影响。为进一步增强防护结构的吸波性能，拓宽吸收带宽，开展了碳纳米管UHTCC材料组合构成的功能梯度吸波结构的理论设计和试验研究。结合超材料理论与技术，提出了基于碳纳米管周期表面的吸波超结构，研制出具有宽频吸波能力的碳纳米管UHTCC材料的功能梯度吸波结构。研究了不同掺量碳纳米管UHTCC材料的动态压缩、动态拉伸、动态断裂等动态力学性能，建立了碳纳米管UHTCC的动态压缩强度增强因子、动态拉伸强度增强因子与应变率之间的函数关系。基于吸波性能优化设计方法和复合结构抗冲击性能设计方法，形成迎波面采用功能梯度吸波结构、受拉区采用普通UHTCC材料、中间采用钢筋混凝土的复合型隐身防护结构。通过数值方法对复合结构的抗冲击性能进行模拟，并基于试验和模拟结果进一步优化高掺量碳纳米管UHTCC材料-混凝土复合防护结构的设计方法。为提高军用和民用防护工程的雷达隐身能力和抗冲击能力提供了新的技术支持。