剪切增稠流体的动态响应及其在防护结构中的应用

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本文首先通过流变仪表征了不同配比的剪切增稠流体(STF)的流变特性,探讨了流变参数和工艺参数对流变性能的影响,通过化学改性方法提高了剪切增稠特性。随后使用霍普金森压杆技术对剪切增稠流体的动态力学响应特性进行了研究,探讨了剪切增稠流体在不同约束条件下的响应规律,并采用高速摄影技术分析了剪切增稠流体在冲击载荷下的流动行为。同时将剪切增稠流体与Kevlar纤维织物复合,研究了STF/Kevlar纤维织物复合材料在低速冲击和高速冲击下的响应规律和防护性能,探讨了STF/Kevlar复合材料防护性能的影响因素,并对纤维织物的断口进行了观察,分析了STF/Kevlar复合材料的破坏模式和防护机理。最后尝试将剪切增稠流体应用到多孔材料中,探讨剪切增稠流体对多孔材料力学性能的影响,得到的主要结论如下:(1)剪切增稠流体流变特性的影响因素很多,如固含量、粒子种类、粒径和粒径分布、合成温度、分散方式和分散时间等。这些因素是通过改变体系的微观成分和微观结构来改变其流变特性的。体系的固体有效体积分数越高,则表观粘度越高,临界剪切速率越小,剪切增稠现象越明显。粒子浓度、粒径分布、体系中的气相成分均对体系的固体有效体积分数有显著影响。体系中的缔合氢键和静电作用力是剪切增稠流体流变特性的内在影响因素。硅烷偶联剂可通过氢键加强SiO2粒子和PEG200之间的作用力,从而改善体系的流变特性。调节PH值可改变体系的静电作用力,进而改变体系的流变性能。(2)剪切增稠流体在冲击载荷作用下发生了液-固转变。在相同冲击条件下,剪切增稠流体与非剪切增稠流体相比,应变率明显降低,动态应力明显升高。冲击速度越大,增稠转变所需时间越短。约束力越大,越有利于剪切增稠行为的彰显。在低速冲击下,剪切增稠特性是剪切增稠流体抗冲击阻力的主要影响因素;在高速冲击下,密度是剪切增稠流体抗冲击阻力的主要影响因素。剪切增稠流体的液-固转变具有较好的可逆性。(3)STF/Kevlar复合材料的准静态防刺性能和抗低速冲击性能与纯Kevlar纤维织物相比均有显著提升。剪切增稠特性是影响STF/Kevlar复合材料抗冲击性能的重要因素,主要通过加强纤维间的摩擦力和限制纱线运动来提高纤维织物的抗冲击性能。当固含量小于68wt.%时,STF/Kevlar复合材料主要通过固体颗粒加强纤维间的摩擦力;当固含量大于68wt.%时,STF/Kevlar复合材料主要靠剪切增稠特性加强纱线间的摩擦力。界面结合强度与STF/Kevlar复合材料的抗冲击性能密切相关,界面结合强度过大,容易造成应力集中而引起纤维织物的脆性断裂,界面结合强度过小,纤维织物容易因纱线抽拔而失效。纤维织物的拉伸变形是STF/Kevlar复合材料抗冲击性能提高的主要原因。冲击速率以及剪切增稠流体的固含量、粒径、稀释比对STF/Kevlar复合材料的抗低速冲击性能均有显著影响。(4)STF/Kevlar复合材料在子弹侵彻过程中的响应过程分别为高速剪切破坏、拉伸断裂和“背凸”形成。STF/Kevlar复合材料的抗弹性能优于相同面密度的纯Kevlar纤维织物。剪切增稠流体提高纤维织物抗弹性能一方面由于其加强了纱线间的耦合作用,使应力波在纱线间快速传播,从而改变应力在纤维织物内部的分布状态和纤维织物的失效模式,进而提高纤维织物的抗冲击阻力和能量耗散;另一方面是由于剪切增稠特性在冲击加载下通过液-固转变耗散冲击能量,提高纤维织物在冲击过程中的吸收能。粒子特性是影响STF/Kevlar复合材料抗高速冲击性能的重要因素,较小的粒子容易进入纱线缝隙,有利于加强纱线之间的耦合作用。(5)SiO2粒子以剪切增稠流体的形式添加到硬质聚氨酯泡沫中可提高聚氨酯泡沫的准静态和动态压缩力学性能,剪切增稠流体通过改变硬质聚氨酯泡沫的微观结构来改善其力学性能。剪切增稠流体的添加可增加泡沫体的胞体数量,减小胞体尺寸,增加胞壁厚度,最优添加量为2.5wt.%。泡沫体的准静态力学性能主要受微观结构和内部缺陷的影响,其动态力学性能主要受密度影响。同时剪切增稠流体作为填充相可显著提高开孔泡沫铝的动态应力,在低速加载下,有利于剪切增稠特性对泡沫铝的动态冲击性能贡献作用的彰显,在高速加载下,泡沫铝的动态冲击性能主要受填充相密度的影响。
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