【摘 要】
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石墨烯增强复合材料在日常生产、运行和维护过程中常常会受到各种各样的冲击,设计具有高抗穿透性的防护材料成为了目前研究的热点。按照冲击速度可将冲击过程分为低速冲击和高速冲击,目前针对低速冲击的研究相对较多,但对高速冲击的研究甚少。高速冲击过程中,冲击速度快且时间极短,纳米级试验难以观测到冲击过程中材料微观结构的演化,且受限于苛刻的试验条件及高的实验成本,冲击试验的测试难以实现,故可以借助计算机模拟来研
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石墨烯增强复合材料在日常生产、运行和维护过程中常常会受到各种各样的冲击,设计具有高抗穿透性的防护材料成为了目前研究的热点。按照冲击速度可将冲击过程分为低速冲击和高速冲击,目前针对低速冲击的研究相对较多,但对高速冲击的研究甚少。高速冲击过程中,冲击速度快且时间极短,纳米级试验难以观测到冲击过程中材料微观结构的演化,且受限于苛刻的试验条件及高的实验成本,冲击试验的测试难以实现,故可以借助计算机模拟来研究高速冲击过程。本文针对此问题,采用分子动力学模拟（MD）的方法研究了弹丸冲击不同石墨烯增强复合材料结构体系（石墨烯/环氧树脂结构体系、环氧树脂/石墨烯/环氧树脂结构体系）的行为,分析了石墨烯增强复合材料在冲击过程中的微观损伤演化机制。本文主要的研究内容如下:本文构建了弹丸冲击石墨烯/环氧树脂、环氧树脂/石墨烯/环氧树脂的模型,通过对弹丸施加不同的初始速度（10、20、30、40、50、60 km/s）,进行冲击行为的模拟,研究了石墨烯增强复合材料在受到弹丸冲击时的力学行为,分析了不同速度冲击过程中弹丸的速度、位移、动能、阻力随时间的变化情况,目标模型中石墨烯的势能相对变化值（VPE）,石墨烯和环氧树脂温度变化情况,模拟体系中势能、动能和总能量的转换情况,石墨烯的断键情况和模型最终的结构,研究结果表明:（1）当弹丸速度较小时（10、20、30 km/s）,均未能穿透石墨烯/环氧树脂、环氧树脂/石墨烯/环氧树脂目标模型,最终留在目标模型中,随目标模型一起运动;当弹丸速度较大时（40、50、60 km/s）,弹丸完全穿透目标模型,继续向下运动,弹丸初始速度越大,弹丸受到的阻力越大,最终穿过目标模型时的剩余速度也越大,分别为7.18、13.48、36.97 km/s（石墨烯/环氧树脂）,5.41、17.31、40.55 km/s（环氧树脂/石墨烯/环氧树脂）。（2）当弹丸撞击目标模型时,石墨烯的部分化学键会发生断裂,吸收一定的冲击能量,使得石墨烯的势能相对变化值增加,弹丸的冲击速度越大,石墨烯的VPE增加越多。当石墨烯/环氧树脂作为目标模型时,在10、20、30、40、50、60 km/s下石墨烯的VPE峰值分别为3927.08、5372.89、8064.05、6879.69、7134.53、8060.96Kcal/mol;当环氧树脂/石墨烯/环氧树脂作为目标模型时,在10、20、30、40、50、60km/s下石墨烯的VPE峰值分别为0、1059、5684、10638、12195、11705 Kcal/mol。（3）在冲击过程中,由于摩擦生热会使得弹丸撞击点周围温度升高。当弹丸撞击目标模型时,环氧树脂部分化学键会发生断裂,在目标模型内部形成不可恢复的“孔洞”。在整个冲击过程中,弹丸的动能和势能下降,目标模型的动能和势能增加,能量始终保持守恒。
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