北京時間2023年8月19日，西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院王富生教授團(tuán)隊在《自然?通訊》(Nature Communications)雜志在線發(fā)表題為《脈沖電流下編織復(fù)合材料抗沖擊損傷》(Impact damage reduction of woven composites subject to pulse current)的研究論文。該研究提出了一種采用脈沖電流來改善三維正交編織復(fù)合材料抗沖擊性能的方法，并系統(tǒng)揭示了脈沖電流對正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的抑制機理。
西北工業(yè)大學(xué)博士生李妍為該文第一作者，西北工業(yè)大學(xué)王富生教授和黃晨光副教授為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)任建亭教授、中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所王東紅研究員、西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授、倫敦瑪麗女王大學(xué)劉濤副教授、中國東方電氣集團(tuán)有限公司龍老虎高工為共同作者。
航空、航天和土木等工程領(lǐng)域中，碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷容易出現(xiàn)纖維斷裂、樹脂破壞和分層等損傷形式，降低復(fù)合材料的承載能力，對飛行器和土木工程等結(jié)構(gòu)的安全帶來威脅。關(guān)于提升復(fù)合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等方面考慮，如相較于層合復(fù)合材料，編織復(fù)合材料在抑制沖擊損傷方面具有獨特優(yōu)勢。然而，這些方法對改善復(fù)合材料的抗沖擊性能仍存在局限性，如何進(jìn)一步提高沖擊載荷下復(fù)合材料的損傷容限仍是復(fù)合材料理論研究中所面臨的重要難題之一。
針對這一難題，王富生教授團(tuán)隊與合作者將編織物的結(jié)構(gòu)特性和碳纖維的電磁特性相結(jié)合，提出了一種降低三維正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的策略。利用無線通信技術(shù)，設(shè)計搭建了落錘沖擊試驗機、電流源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等一體集成的實驗平臺，實現(xiàn)了脈沖電流和沖擊力對正交編織復(fù)合材料的協(xié)同加載。研究結(jié)果表明，隨著脈沖電流峰值從0 A增加到110 A，三維正交編織復(fù)合材料板的非彈性能量和殘余變形分別減少了35.81%和47.64%。多尺度多物理場建模分析表明，載流碳纖維使得紗線束受到了橫向壓縮性質(zhì)的電磁體力，有利于提升紗線的機械性能;紗線中微裂紋的形成和擠壓變形會引起碳纖維之間局部電流的重新分布，其與自場相互作用會產(chǎn)生抗沖擊效應(yīng)?；诓牧?結(jié)構(gòu)-功能的一體化設(shè)計思想，有效控制脈沖電流對復(fù)合材料熱效應(yīng)的影響，此項研究成果可以為提高復(fù)合材料在沖擊載荷下的損傷容限提供新的途徑。
圖1 三維正交編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機理與沖擊前后的電-磁-力-熱耦合示意圖
圖2 設(shè)計搭建的一體化實驗平臺和三維正交編織復(fù)合材料在脈沖電流作用下的沖擊損傷抑制機理
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金(51875463和52175147)、航空科學(xué)基金(20200044053002)、山西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊專項基金(202204051001001)和長壽命高溫材料國家重點實驗室基金(DTCC28EE200788)等項目的資助。該研究工作依托于西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院“裝備和設(shè)施工程設(shè)計與防護(hù)研究所”的科研力量，研究所擁有一支高素質(zhì)師資隊伍，近年來取得了豐碩成果。在王富生教授的帶領(lǐng)下，研究所立足西工大“三航”特色，瞄準(zhǔn)“卡脖子”科學(xué)技術(shù)難題。研究所加強基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和工程實踐，重點突破極端環(huán)境下裝備和設(shè)施工程安全評估的基礎(chǔ)科學(xué)難題，形成裝備和設(shè)施工程防護(hù)設(shè)計的新理念。
王富生教授與團(tuán)隊部分成員在一起
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