柔性沖擊防護(hù)材料研究獲進(jìn)展

????????警用裝備網(wǎng)訊：?剪切增稠流體（STF）是一類非牛頓流體，在低應(yīng)變率下具有較好的流動(dòng)性，而在沖擊條件下因粘度急劇增加而快速吸能，一定程度上協(xié)調(diào)了防護(hù)裝備的柔韌性與堅(jiān)固性之間的矛盾，因而在柔性沖擊防護(hù)領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值。前期，科研人員對(duì)STF的沖擊動(dòng)力學(xué)行為及其與結(jié)構(gòu)的相互作用展開研究，獲得了STF壓縮誘導(dǎo)液-固相變新機(jī)制、良好的動(dòng)態(tài)能量吸收特性以及與結(jié)構(gòu)的耦合增強(qiáng)耗散效應(yīng)（J.Appl.Phys.，2015；Appl.Phys.Lett.，2015；Int.J.Mech.Sci.，2018；Int.J.Impact.Eng.，2020）。然而，由于常規(guī)呈流體狀態(tài)的STF難以有效密封，一直是困擾其在柔性沖擊防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的難題。

　　中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員吳此前提出STF微膠囊-聚合物基體復(fù)合材料設(shè)計(jì)思想，解決了STF的工程應(yīng)用難題，同時(shí)，通過STF的液-固相變、大量STF/基體界面阻抗不匹配效應(yīng)以及STF與基體的耦合增強(qiáng)耗散效應(yīng)，進(jìn)一步提升材料的沖擊防護(hù)性能?？蒲腥藛T與中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所合作，制備了STF微膠囊-硅橡膠基體（SR-STF）復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，SR-STF復(fù)合材料在低應(yīng)變率下表現(xiàn)出良好的柔韌性，但在高應(yīng)變率下由于壓縮及剪切誘導(dǎo)的增稠效應(yīng)，導(dǎo)致材料表現(xiàn)出較高的剛度，具有顯著的應(yīng)變率敏感性；隨著STF微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SR-STF復(fù)合材料在低應(yīng)變率下的柔韌性和高應(yīng)變率下的剛度均迅速提高，具有更強(qiáng)的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，體現(xiàn)出對(duì)不同沖擊載荷的智能自適應(yīng)性?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，該研究建立了包含STF微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)、應(yīng)變硬化及應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)的粘彈性本構(gòu)模型，能夠較準(zhǔn)確地描述SR-STF復(fù)合材料的力學(xué)行為。該工作為STF在柔性沖擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)理念和方案。

　　相關(guān)研究成果以Silicone rubber matrix composites with shear thickening fluid microcapsules realizing intelligent adaptation to impact loadings為題，發(fā)表在Composites Part B: Engineering上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。

　　 圖1.SR-STF復(fù)合材料的制備原理示意圖

圖2.（a）SR-STF復(fù)合材料在10-3s-1和10-1s-2的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；（b）SR-STF復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力值（應(yīng)變0.4）。

　　圖3.SR-STF復(fù)合材料在（a）沖擊加載前，（b）1400s-1，（c）3500s-1的微觀結(jié)構(gòu)；（d）SR-STF復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的變形機(jī)理。

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