[00383740]颗粒填充复合材料的力学性能及功能特性研究

该项目属于力学领域。近三十年来，各国的经济发展和工程技术创新中，表现出对新材料的依赖度越来越高。具有超轻多孔材料以其轻质结构特性、高比强度性能、高吸能特性以及多功能特性等诸多优良特性，在工程实际中被广泛应用，并一直是材料研究领域的热点课题。传统的轻质材料都具有轻质，高比强度、吸能减震等优良的力学特性，但这些材料也反映出自身存在的问题，如，应力局部集中较为严重，各项异性特征明显等。为解决这些问题，人们尝试着将具有空心结构的薄壁空心球作为骨架，采用填充、烧结、胶合等方法制备出多孔材料，其多孔结构是通过空心球内部的空腔来实现。该研究针对空心球多孔材料力学性能及功能特性，主要开展了四方面研究：第一，金属空心球单体及其组元结构的力学特性分析。金属空心球单体及其组元结构是金属空心球多孔材料的基本组成部分，该研究通过对薄壁金属空心球单体及其组元结构进行试验研究，结合有限元数值模拟和理论分析，得出了球壳在压缩大变形作用下的名义应力-应变关系、屈曲特性以及吸能特性，提出了金属空心球多孔材料的多种构形及其在多孔材料制备中的合理的结构形式。第二，空心颗粒填充环氧树脂复合材料的力学特性及功能特性分析。采用均匀设计方案制备了空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，并通过一系列实验，得出了材料的基本力学特性(如，弹性常数，强度，粘弹性性能等)与构成材料的特质参数之间的变化规律。采用人工智能方法对材料设计进行优化。通过RSA方法建立了材料的仿真有限元模型，采用有限单元方法详细地分析了材料力学性能，为实现多孔复合材料的性能设计提供了依据。第三，含金属涂层空心微珠基电磁屏蔽材料性能研究。以环氧树脂为基体，镀铜、镀银空心玻璃微珠为填充材料，制备了具有电磁屏蔽功能的轻型复合材料。采用法兰同轴测试方法测试了材料的电磁屏蔽性能，得到了不同配比关系材料的电磁屏蔽效能。实验发现，50%镀铜玻璃微珠填充复合材料的电磁屏蔽效能最优，最大可达到21dB。在实验确定材料的力学性能基础上，综合力学性能与电磁屏蔽性能的相关性寻求空心微珠的最优填充方式。第四，基于细观力学方法的颗粒复合材料弹塑性及损伤分析。应用细观力学的理论方法，研究了颗粒复合材料及其组分材料的细微观组织结构力学性能；建立了材料本构方程及材料弹性模量预测公式；描述了基体与增强颗粒界面脱粘损伤、基体材料损伤行为、增强颗粒体积分数以及颗粒尺寸对材料变形和损伤破坏行为的影响效果；揭示了颗粒复合材料等效弹性模量随颗粒体积分数变化的规律，以及基体与颗粒界面脱粘损伤的演化规律。通过该项目的研究，在国内外具有一定影响力的期刊上发表学术论文20余篇，相关论文被引用合计70余次。申请国家实用新型专利1项，培养硕士研究生5名，博士研究生3名。后续研究工作又获得了河北省自然科学基金1项，河北省教育厅重点项目1项，其它市厅级、校级项目4项，总资助额度近30万元。