復合材料抗沖擊研究取得新進展

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北京時間2023年8月19日，西北工業大學力學與土木建筑學院王富生教授團隊在《自然·通訊》雜志在線發表題為《脈沖電流下編織復合材料抗沖擊損傷》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合材料抗沖擊性能的方法，并系統揭示了脈沖電流對正交編織復合材料沖擊損傷的抑制機理。

航空、航天和土木等工程領域中，碳纖維/環氧樹脂基復合材料受到沖擊載荷容易出現纖維斷裂、樹脂破壞和分層等損傷形式，降低復合材料的承載能力，對飛行器和土木工程等結構的安全帶來威脅。關于提升復合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結構設計和制造工藝等方面考慮，如相較于層合復合材料，編織復合材料在抑制沖擊損傷方面具有獨特優勢。然而，這些方法對改善復合材料的抗沖擊性能仍存在局限性，如何進一步提高沖擊載荷下復合材料的損傷容限仍是復合材料理論研究中所面臨的重要難題之一。

針對這一難題，王富生教授團隊與合作者將編織物的結構特性和碳纖維的電磁特性相結合，提出了一種降低三維正交編織復合材料沖擊損傷的策略。利用無線通信技術，設計搭建了落錘沖擊試驗機、電流源和數據采集設備等一體集成的實驗平臺，實現了脈沖電流和沖擊力對正交編織復合材料的協同加載。研究結果表明，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生抗沖擊效應。基于材料-結構-功能的一體化設計思想，有效控制脈沖電流對復合材料熱效應的影響，此項研究成果可以為提高復合材料在沖擊載荷下的損傷容限提供新的途徑。

王富生教授與團隊部分成員在一起。（西北工業大學供圖）

西北工業大學博士生李妍為該文第一作者，西北工業大學王富生教授和黃晨光副教授為共同通訊作者，西北工業大學任建亭教授、中國電子科技集團公司第三十三研究所王東紅研究員、西北工業大學孔杰教授、倫敦瑪麗女王大學劉濤副教授、中國東方電氣集團有限公司龍老虎高工為共同作者。