高应变率加载下复合泡沫塑料的吸能特性及失效机理研究

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高应变率加载下复合泡塑料的吸能特性及失效机理研究卢子兴1，2，袁应龙1（1.北京航空航天大学固体力学研究所，北京100083；2.中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京100080）密度复合泡沫塑料在高应变率加载条件下的应力-应变曲线，研究了材料的动态力学性能基于所获得的应力应变曲线，进一步分析和讨论了复合泡沫塑料的能量吸收特性，发现材料最佳吸能点的包络线是同一直线此外，通过动态变形试件的扫描电镜分析，还研究了这类新材料的动态失效问题。　　收穑日期：2001-10-18；收修改穑日期：2⑴2-13-15基金项目：国家自然科学基金（10072007），NSAF联合基金和教育部留学回国人员科研启动基金（教外司留| 2001|345）资助项目复合泡沫塑料是重要的工程防护材料，它是将空心微球填充到树脂基体或泡沫塑料中而制得的一种新型复合材料与普通泡沫塑料相比较，复合泡沫塑料具有许多独特的优点，如密度易于控制，机械性能较高，是一种轻质高强的材料。因此，它在航空、航天和航海等领域有广泛的应用前景由于这类材料经常用于包装冲击防护和爆破防护等方面，所以它们的动态力学行为受到工程界的普遍关注虽然前人对复合泡沫塑料的静、动态力学性能已有一些研究，但多数工作仅限于两相复合泡沫塑料（空心球填充复合材料），对三相复合泡沫塑料（空心球填充泡沫塑料）的研究甚少，尤其是对动态力学性能的研究未见报道最近，我们针对三相聚氨酯复合泡沫材料进行了比较广泛的实验研究，并在的介绍，评价泡沫材料的吸能特性主要采用吸能率曲线和能量吸收图吸能率曲线的方法最初由MiltZ5等提出，他们用E（Efficiency）参数来表示泡沫塑料的吸能率，用/（Ideality）参数来表示其理想的吸能率其中，E参数定义为真实泡沫塑料试件压缩到最大应变X所吸收的能量同具有相同尺寸的理想泡沫塑料试件完全压缩并传递相同的最大应力e时所吸收能量的比值，即而/参数定义为真实泡沫塑料和理想泡沫塑料试件压缩到相同应变所吸收能量的比值，即能量吸收图的方法是由Gibson，也有沿经线方向的张开型裂纹、与压缩方向成45度角的剪切裂纹和赤道面附近的弯折破坏（a）为横截面内胞体穿孔处的纵横裂纹，尤其当穿孔位于胞体的底部时，会在穿孔处沿经线方向发出辐射状裂纹；（b）为纵向截面内与压缩方向成45度角的胞体壁上的剪切裂纹；（c）为横截面内观察到的垂直于载荷方向赤道面附近的裂纹此外，扫描电镜的观察还表明：复合泡沫塑料在动态加载时，惯性力在泡沫塑料胞体的破坏中起了一定的作甩同时，胞体内来不及流动的气体也会对材料的破坏产生影响。因为高应变率大变形压缩时，胞体内气体处于绝热压缩状态，陡增的内压会使胞体壁的侧压迅速上升，有可能加速弯曲应力对胞体赤道面附近造成的破坏，形成所谓的“爆炸”现象3结论空心玻璃微球填充聚氨酯复合泡沫塑料的动态力学性能主要由密度因素决定，应变率效应只在高密度材料情况中才表现得比较明显。　　不同应变率和密度条件下，复合泡沫塑料最佳吸能点的包络线是同一条直线，吸能率最高的点与能量吸收图上的最佳吸能点相对应复合泡沫塑料胞体的动态破坏形式主要有弯折、拉伸和剪切三种，但与准静态压缩相比，胞体弯折破坏的比例明显增力卩。此外，惯性力和胞体内的气体压力对胞体的动态破坏也有一定的作用。