【摘 要】
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在现代海战中,舰船和潜艇会遭受爆炸和冲击破坏。为了减小其在遭遇爆炸和冲击时的损伤范围,提高其存活能力,需要一种具有良好的力学性能和能量吸收能力的防护材料。而先前此类研究大多基于理论计算和数值模拟,材料级别的基础性研究工作十分有限,本文将负泊松比纤维和聚脲的优异性能进行复合,得到组合性能的复合材料,开展材料级别的基础性试验研究。本课题对纤维预制体（HAYs）进行了设计,研究了不同参数对预制体力学性能
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在现代海战中,舰船和潜艇会遭受爆炸和冲击破坏。为了减小其在遭遇爆炸和冲击时的损伤范围,提高其存活能力,需要一种具有良好的力学性能和能量吸收能力的防护材料。而先前此类研究大多基于理论计算和数值模拟,材料级别的基础性研究工作十分有限,本文将负泊松比纤维和聚脲的优异性能进行复合,得到组合性能的复合材料,开展材料级别的基础性试验研究。本课题对纤维预制体（HAYs）进行了设计,研究了不同参数对预制体力学性能、变形行为和区域泊松比的影响;研究了不同参数和工艺的聚酯-碳纤维/聚脲复合材料在静载、动载下的拉伸、撕裂性能,探究了其弹性和塑性变形区的变形行为,通过红外（FTIR）、扫描电镜（SEM）等方法测试和分析了其力学性能机理和变形行为机理,获得了聚酯-碳纤维预制体结构参数和制备工艺参数与复合材料拉伸性能和拉伸损伤行为、撕裂性能和撕裂损伤行为、温域动态机械性能之间的关联规律和机理,研究结果表明:（1）随着缠绕角减小和直径比增大,预制体的断裂能增大;缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆为预制体力学性能和变形情况最佳组合参数,其断裂能分别提高了1.6倍、1.4倍和1.1倍,其泊松比值最小为-11.18。理论计算所得泊松比规律与试验一致,最小泊松比值为-13.26。（2）拉伸损伤时,预制体使复合材料的抗拉强度增大1.95～3.82倍。缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织的复合材料在拉伸至开裂时的位移最大,为24.93 mm,能承受的应变最大为2.513,出现最小泊松比值为-7.75,且其拉伸断裂耗能是纯聚脲的2.65倍,是最佳的拉伸性能组合参数。复合材料氢键化程度高,破坏后出现凹坑和基体粘结纤维现象,界面粘结性好;塑性变形阶段曲线类似阶梯状,拓展了塑性变形区域面积。优异的宏微观结构和拉伸变形机制增强了复合材料的抗拉强度,优化了各变形阶段的拉伸损伤行为,提高了复合材料的能量吸收能力。（3）撕裂损伤时,预制体使复合材料的撕裂强度增大3.40～8.60倍。缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织的复合材料在变形至断裂时的位移最大为35mm,能承受的应变最大为1.15,其撕裂耗能是纯聚脲的2.36倍,是最佳的撕裂性能组合参数。复合材料氢键化程度高,破坏后留下凹坑且基体粘结纤维,界面粘结性好;塑性变形阶段较长,其曲线类似阶梯状,塑性变形区域面积大。优异的宏微观结构和撕裂变形机制增强了复合材料的抗撕裂强度,优化了各变形阶段的撕裂损伤行为,多级能量损耗机制增强了其能量吸收能力。（4）缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织时复合材料动态力学性能最佳。复合材料在应用温度下处于高弹态,各组分之间相容性好,动载后氢键相互作用更多,结合度很高,具有良好的抵抗动载变形的能力。广域温度和频率下的动态性能与试验结果吻合,复合材料能够抵抗高温和高频等环境因素,提高防护性能。本课题探索出了聚酯-碳纤维-聚脲复合材料的力学性能、变形行为和耗能的最佳设计参数,准确地描述了复合材料静、动态力学性能变化趋势,获得了预制体结构参数和制备工艺参数与复合材料性能和损伤行为间的关联规律和机理,为增强我国舰船和潜艇的防护能力提供了材料级别的基础性研究,有望为舰船用防护材料体系的选型以及舰船抗爆抗冲击功能型防护涂层的结构设计提供参考依据。
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