聚脲涂覆泡沫铝复合结构的抗冲击性能研究

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泡沫铝作为一种抗冲击缓冲材料,广泛的运用在交通、航空航天以及国防军工等多种领域,会不可避免地遭受动态冲击荷载的作用。然而,泡沫铝特有的孔隙结构使得其在受到冲击荷载时容易发生屈曲破坏,在高速冲击荷载下产生的破片飞溅会导致一定的次生伤害,其防护性能亟待进一步提升。聚脲作为结构表面涂层具备优异的防护性能,将其涂覆于闭孔泡沫铝表面有助于进一步提升其抗冲击能力,故本文研究了聚脲涂覆泡沫铝复合结构在冲击荷载作用下的力学响应以及吸能特性,具体研究工作如下:(1)采用半预聚体合成方法,设计了聚脲化学计量比参数、聚脲半预聚体组分和端氨基聚合物组分原料的种类及比例、喷涂机喷涂设定参数,最终获得了一种性能优异的聚脲弹性体配方,并对其进行了准静态和动态单轴拉伸、压缩试验。结果表明,聚脲材料的拉伸和压缩应力-应变曲线关系具有应变率强化效应;准静态和动态拉伸下的断裂失效模式分别为韧性断裂和脆性断裂,准静态和动态压缩过程聚脲变形均匀,无裂纹出现,具有较强的超弹性大变形能力。(2)采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对泡沫铝开展了直接撞击动态压缩试验,得到泡沫铝完整三阶段变形过程(线弹性阶段、平台阶段、致密化阶段)的压缩应力-应变曲线;并借助电子万能试验机对泡沫铝进行低应变率的准静态压缩试验,最终分析了相对密度和加载应变率对泡沫铝压缩性能影响规律,结果表明泡沫铝的力学性能具有显著的相对密度敏感性,两者呈现正相关;且随加载应变率的增加,泡沫铝的屈服强度和吸能能力提升。(3)运用动态撞击试验技术获取了聚脲涂覆泡沫铝复合试件在动态压缩下的应力与应变关系曲线,结合准静态压缩试验数据分析了应变率对聚脲涂覆泡沫铝复合结构试件性能的影响规律;综合泡沫铝在静动态压缩下的性能变化规律,研究了聚脲材料及其涂层位置对泡沫铝的屈服应力、平台应力以及单位质量的能量耗散等指标的影响,结果表明聚脲提升了泡沫铝的动态抗压承载能力和缓冲吸能特性,以背压面涂覆聚脲效果更佳;收集试验后的试件,并结合超高速数字摄像机记录的试件变形过程,对涂覆聚脲泡沫铝前后的失效模式进行分析,结果表明聚脲涂层减轻了泡沫铝的损伤程度,有效的解决了泡沫铝结构碎片带来的次生伤害,可指导工程实际运用。
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