西工大新聞網(wǎng)8月21日電（文字 王富生 攝影 李妍、黃晨光)近日，國(guó)際頂級(jí)綜合類(lèi)期刊《Nature Communications》（自然?通訊）以“Impact damage reduction of woven composites subject to pulse current”為標(biāo)題在線(xiàn)發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院王富生教授團(tuán)隊(duì)在復(fù)合材料損傷抑制方面最新研究成果。該工作提出了一種采用脈沖電流來(lái)改善三維正交編織復(fù)合材料抗沖擊性能的方法，并系統(tǒng)揭示了脈沖電流對(duì)正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的抑制機(jī)理。全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40752-6
航空、航天和土木等工程領(lǐng)域中，碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷容易出現(xiàn)纖維斷裂、樹(shù)脂破壞和分層等損傷形式，降低復(fù)合材料的承載能力，對(duì)飛行器和土木工程等結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)威脅。關(guān)于提升復(fù)合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面考慮，如相較于層合復(fù)合材料，編織復(fù)合材料在抑制沖擊損傷方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，這些方法對(duì)改善復(fù)合材料的抗沖擊性能仍存在局限性，如何進(jìn)一步提高沖擊載荷下復(fù)合材料的損傷容限一直是復(fù)合材料理論研究中所面臨的重要難題之一。
針對(duì)這一難題，王富生教授團(tuán)隊(duì)與合作者將編織物的結(jié)構(gòu)特性和碳纖維的電磁特性相結(jié)合，提出了一種降低三維正交編織復(fù)合材料沖擊損傷的策略。利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、電流源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等一體集成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了脈沖電流和沖擊力對(duì)正交編織復(fù)合材料的協(xié)同加載。研究結(jié)果表明，隨著脈沖電流峰值從0 A增加到110 A，三維正交編織復(fù)合材料板的非彈性能量和殘余變形分別減少了35.81%和47.64%。多尺度多物理場(chǎng)建模分析表明，載流碳纖維使得紗線(xiàn)束受到了橫向壓縮性質(zhì)的電磁體力，有利于提升紗線(xiàn)的機(jī)械性能；紗線(xiàn)中微裂紋的形成和擠壓變形會(huì)引起碳纖維之間局部電流的重新分布，其與自場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生抗沖擊效應(yīng)。基于材料-結(jié)構(gòu)-功能的一體化設(shè)計(jì)思想，有效控制脈沖電流對(duì)復(fù)合材料熱效應(yīng)的影響，此項(xiàng)研究成果可以為提高復(fù)合材料在沖擊載荷下的損傷容限提供新的途徑。
三維正交編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機(jī)理與沖擊前后的電-磁-力-熱耦合示意圖
設(shè)計(jì)搭建的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和三維正交編織復(fù)合材料在脈沖電流作用下的沖擊損傷抑制機(jī)理
西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院2019級(jí)博士生李妍為該文第一作者，西北工業(yè)大學(xué)王富生教授和黃晨光副教授為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)任建亭教授、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所王東紅研究員、西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授、倫敦瑪麗女王大學(xué)劉濤副教授、中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司龍老虎高工為共同作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51875463和52175147）、航空科學(xué)基金（20200044053002）、山西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專(zhuān)項(xiàng)基金（202204051001001）和長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（DTCC28EE200788）等項(xiàng)目的資助。
（審核：?jiǎn)碳?/p>
