沖擊載荷下硼酸改性端羥基聚硅氧烷- 二氧化硅復(fù)合材料的響應(yīng)特性

周鼎， 苗應(yīng)剛， 王嚴(yán)培， 李峰， 李玉龍

(1.西北工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)研究所, 陜西 西安 710072; 2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

0 引言

針對(duì)具有優(yōu)良抗沖擊性能的輕型防護(hù)材料及裝備的研究和開發(fā)受到日益增加的關(guān)注。液體防彈衣[1-3]就是輕型防護(hù)裝備的典型代表，其所采用的剪切增稠液體是一類由液態(tài)的高分子基體(如聚乙二醇、聚乙烯醇)與微納米級(jí)二氧化硅顆粒共同組成的液體系[4-5]。雖然液體防彈衣輕便并擁有良好的防護(hù)特性，但是溶劑呈液體狀態(tài)、使用壽命短、抗老化性能及抗二次損傷性能弱等缺陷限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。近年來，以聚合物為基體制備的輕質(zhì)抗沖擊材料逐漸興起[6-9]。其中，硅膠擁有良好的抗氧化、防潮和溫度穩(wěn)定性，是一種適合運(yùn)用于戶外的材料[10-11]。以硅膠系高分子材料端羥基聚硅氧烷(PDMS)為基體添加二氧化硅顆粒的復(fù)合材料具有良好的抗沖擊性能和很大發(fā)展?jié)摿10, 12-13]。

為評(píng)估、改善材料抗沖擊性能，進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試以及其變形機(jī)理研究具有重要的意義。目前主要采用的測(cè)試手段有沖擊試驗(yàn)[14-15]和基于分離式霍布金森壓桿(SHPB)的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。Roché等[14]將金屬桿放置于一定高度，利用金屬桿自由落體沖擊剪切增稠液體，觀察到?jīng)_擊作用觸發(fā)了液態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變。Jiang等[16]通過自由落體測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了一種沖擊硬化聚合物的抗沖擊性能，并發(fā)現(xiàn)隨著沖擊速度的提高，材料的能量吸收效果越好。Fan等[17]利用SHPB技術(shù)測(cè)試了一種聚合物(Clear Flex 75) 在動(dòng)態(tài)壓縮下的力學(xué)性能，并采用高速攝像機(jī)記錄了材料的變形過程。針對(duì)輕質(zhì)聚合物材料抗沖擊機(jī)理研究主要集中在探究材料在沖擊載荷下內(nèi)部微納米級(jí)顆粒結(jié)構(gòu)演化。當(dāng)前比較認(rèn)可的演化模型有3種：1)早期Hoffman提出的有序—無序轉(zhuǎn)變(ODT) 模型[18]，Hoffman認(rèn)為材料內(nèi)部顆粒在沖擊載荷下從有序排列的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序排列，從而增加了顆粒之間的拖拽力；2)粒子團(tuán)簇模型，認(rèn)為內(nèi)部顆粒在剪應(yīng)力作用下形成團(tuán)簇并導(dǎo)致顆粒間相互作用力增大[19-20];3)阻塞轉(zhuǎn)變模型[21]，該模型提出沖擊載荷使得材料內(nèi)部形成了一個(gè)顆粒壓縮的第2相，這一相逐漸沿加載方向傳播并將液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矔r(shí)的固態(tài)結(jié)構(gòu)。

目前，在沖擊硬化過程中從材料的應(yīng)力狀態(tài)分析以及力學(xué)角度解釋抗沖擊機(jī)理相關(guān)研究還比較缺乏。鑒于材料在沖擊載荷作用下處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，單一的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為難以全面地反映材料的抗沖擊性能，且誘導(dǎo)材料發(fā)生沖擊硬化現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力并不明確。因此，研究不同應(yīng)力狀態(tài)在抗沖擊過程中起到的作用十分必要。本文以一種硼酸改性PDMS(PBDMS)添加二氧化硅顆粒的聚合物復(fù)合材料(PBDMS-silica)作為載體，測(cè)試材料準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為及抗沖擊性能；結(jié)合有限元軟件ABAQUS分析PBDMS-silica在沖擊過程中不同應(yīng)力狀態(tài)所起的作用。運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝材料在動(dòng)態(tài)加載下的變形過程，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)計(jì)算試樣變形場(chǎng)的演化；進(jìn)一步參考破壞試樣斷面形態(tài)，分析材料抗沖擊性能機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料制備與試樣尺寸

PBDMS-silica制備過程為：首先將硼酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)與PDMS及硅油充分混合于燒杯中，然后將一定分?jǐn)?shù)的二氧化硅顆粒加入反應(yīng)體系；將燒杯中混合物加熱到453 K保持恒溫，進(jìn)行3 h攪拌，保證各組成充分混合；攪拌后將混合物置于干燥器中自然冷卻即得到目標(biāo)材料。本文采用了兩種二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17%和30%的PBDMS-silica，分別以Silica-17%、Silica-30%簡(jiǎn)化表示。

試驗(yàn)采用圓柱形試樣。將適量材料按壓進(jìn)入半開的鋁合金模具，壓實(shí)后打開模具即得到圓柱形試樣(見圖1(a))。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試樣尺寸為φ10 mm×6 mm；動(dòng)態(tài)壓縮試樣尺寸為φ10 mm×3 mm；沖擊試驗(yàn)試樣尺寸為φ10 mm×10 mm.

圖1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)示意圖Fig.1 Illustration of dynamic compression testing

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用美國 INSTRON公司產(chǎn)5848試驗(yàn)機(jī)，分別測(cè)試Silica-17%和Silica-30%在應(yīng)變率10-3s-1、 10-2s-1、 10-1s-1下的力學(xué)響應(yīng)。對(duì)于軟材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試采用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)技術(shù)。由于材料波阻抗較小，采用傳統(tǒng)的鋼桿進(jìn)行試驗(yàn)難以采集到從試樣透過的透射信號(hào)，需要對(duì)傳統(tǒng)的SHPB平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)[9, 17, 22-26]。本文試驗(yàn)采用了Miao等[27]提出的SHPB改進(jìn)方案(見圖1(b))。在此方案中，采用鋁合金桿作為撞擊桿和入射桿(φ15 mm)；選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)空心管(外徑φ15 mm，內(nèi)徑φ11 mm)作為透射桿，并在空心管端覆蓋相同材料的蓋片。入射桿應(yīng)變片粘貼在入射桿中心位置；透射桿應(yīng)變片粘貼在距桿端30 mm (2倍PMMA管外徑)位置，同時(shí)避免黏彈性桿彌散效應(yīng)[28]和應(yīng)力不均勻性對(duì)透射波的影響。基于一維彈性應(yīng)力波理論，改進(jìn)SHPB試驗(yàn)平臺(tái)計(jì)算材料應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系[27]為

式中：Hs為試樣厚度；Ds為試樣直徑；DTo、DTi分別為透射桿外徑、內(nèi)徑；ETB為透射桿彈性模量；cIB、cTB分別為入射桿、透射桿波速；εi、εr、εt分別為入射、反射、透射應(yīng)變。

動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)平均應(yīng)變率分別為800 s-1、1 500 s-1和3 500 s-1，試樣尺寸為φ10 mm×3 mm. 對(duì)于波阻抗較低的材料，試樣長徑比保持在0.25～0.50之間能夠有效減小波的衰減，并能夠盡快實(shí)現(xiàn)入射桿、透射桿兩端應(yīng)力平衡[29]。

1.3 金屬桿沖擊試驗(yàn)

基于SHPB試驗(yàn)平臺(tái)(見圖2)，將試樣(φ10 mm×10 mm)置于鋁合金支撐桿一端，選用直徑小于試樣直徑的鋁合金桿(φ5 mm×300 mm)作為撞擊桿；撞擊桿由空氣炮推動(dòng)，直接撞擊試樣表面。試驗(yàn)中，通過高速攝像機(jī)拍攝撞擊桿的運(yùn)動(dòng)過程，并測(cè)算出撞擊桿從撞擊前到撞擊后回彈過程中速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。分別測(cè)試在不同初始速度下(1～6 m/s)撞擊桿速度變化，并根據(jù)撞擊桿回彈的加速度衡量材料的抗沖擊性能。

圖2 金屬桿沖擊試驗(yàn)圖示Fig.2 Illustration of impact experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 PBDMS-silica在準(zhǔn)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng)

圖3(a)為試驗(yàn)中通過應(yīng)變片采集到的入射桿、透射桿上應(yīng)力波傳播的電信號(hào)。圖3(b)為Silica-17%在1 500 s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線和實(shí)時(shí)應(yīng)變率- 應(yīng)變曲線。其中實(shí)時(shí)應(yīng)變率- 應(yīng)變曲線顯示試驗(yàn)過程中保持基本恒定的應(yīng)變率加載。

圖3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)典型曲線Fig.3 Typical experimental curves under dynamic compression

PBDMS-silica準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮的力學(xué)性能如圖4所示。在相同的應(yīng)變率下，Silica-30%的強(qiáng)度均高于Silica-17%. 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷作用下，材料首先產(chǎn)生彈性變形，隨后進(jìn)入穩(wěn)定的應(yīng)變硬化階段(見圖4(a))。材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在初始階段出現(xiàn)小幅的應(yīng)力跌落，隨后保持接近直線的趨勢(shì)(見圖4(b))。材料在準(zhǔn)靜態(tài)下強(qiáng)度為千帕量級(jí)，而在動(dòng)態(tài)下達(dá)到兆帕量級(jí)，這表明材料在準(zhǔn)靜態(tài)下為黏性流動(dòng)狀態(tài)，而在動(dòng)態(tài)壓縮下表現(xiàn)出固體狀態(tài)。在黏性流動(dòng)狀態(tài)下，材料的壓縮響應(yīng)有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，而在固體狀態(tài)下，材料應(yīng)變率敏感性并不明顯。

圖4 Silica-17%與Silica-30%的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of Silica-17% and Silica-30%

2.2 PBDMS-silica沖擊載荷響應(yīng)

通過測(cè)量沖擊Silica-17%與Silica-30%過程中金屬桿的速度變化，計(jì)算出撞擊桿的回彈加速度，從而反映PBDMS-silica的抗沖擊性能。如圖5(a)和圖5(b)所示，金屬桿受到空氣炮驅(qū)動(dòng)后，以一定初速度撞擊試樣表面隨即開始減速。受到PBDMS-silica抵抗減速后，金屬桿速度迅速降為0 m/s，并開始加速回彈，最終以一個(gè)恒定速度(小于峰值回彈速度)與試樣脫離。當(dāng)初始速度大于一定值后，試樣受到?jīng)_擊將發(fā)生破壞，試驗(yàn)中PBDMS-silica表現(xiàn)出明顯的抗沖擊特性。圖5(c)統(tǒng)計(jì)了金屬桿以不同初速度沖擊Silica-17%與Silica-30%的峰值加速度和最大壓縮變形量。在二氧化硅含量一定的情況下，隨著金屬桿沖擊初速度增大，PBDMS-silica將會(huì)產(chǎn)生更大的壓縮變形，且為金屬桿的減速過程提供了更大的加速度。這說明PBDMS-silica的抗沖擊特性在一定初速度范圍內(nèi)隨應(yīng)變率的提高逐漸增強(qiáng)。在相同初速度沖擊下，Silica-30%試樣比Silica-17%提供了更大的加速度，且Silica-30%能夠在更小的壓縮變形下實(shí)現(xiàn)撞擊桿的回彈，這說明PBDMS-silica的抗沖擊特性隨顆粒含量的提高而增強(qiáng)。這與材料動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度隨顆粒含量增強(qiáng)的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)(見圖4)。因此，材料的抗沖擊性能在一定范圍內(nèi)隨沖擊速度和顆粒含量的提高而增強(qiáng)。

3 沖擊過程有限元仿真

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)一步分析沖擊過程中材料應(yīng)力狀態(tài)變化歷程。首先建立與沖擊試驗(yàn)材料、尺寸相同的有限元模型(見圖6)。根據(jù)高速攝影結(jié)果，支撐桿(見圖2)在沖擊過程中的位移不明顯。為簡(jiǎn)化模型，在有限元仿真中將試樣未與沖擊桿接觸端部的邊界條件設(shè)置為固支。沖擊桿材料采用線彈性本構(gòu)模型，試樣材料采用超彈性Mooney-Rivilin本構(gòu)模型[30]。Mooney-Rivilin本構(gòu)模型以應(yīng)變勢(shì)能函數(shù)W描述材料性能：

圖6 沖擊試驗(yàn)有限元模型Fig.6 Finite element model for impact testing

通過有限元方法，進(jìn)一步分析PBDMS-silica在抗沖擊過程中材料受到的應(yīng)力狀態(tài)。圖7為Silica-17%在受到一定初速度 (v=5 m/s)沖擊時(shí)，峰值正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布。根據(jù)圖7(a)，正應(yīng)力峰值達(dá)到1.2 MPa，這與沖擊試驗(yàn)中達(dá)到峰值加速度時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)接近。在沖擊區(qū)域(如圖7(a)白色虛線圓圈)下方，形成了圓錐形的應(yīng)力集中區(qū)域，剪應(yīng)力則集中分布在沖擊區(qū)域的邊緣(見圖7(b))，這表明材料在沖擊過程中處于壓- 剪耦合的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。圖8統(tǒng)計(jì)了初速度v為1～5 m/s時(shí)，PBDMS-silica受沖擊區(qū)域最大正應(yīng)力、平均正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)。隨著初速度的提高，正應(yīng)力響應(yīng)逐漸趨向平穩(wěn)，而剪應(yīng)力一直呈上升趨勢(shì)，說明隨著沖擊速度提高，剪力在抗沖擊過程中所起作用逐漸上升。

4 結(jié)果分析及討論

4.1 PBDMS-silica應(yīng)變率效應(yīng)

材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)壓縮下應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在趨勢(shì)和應(yīng)力水平上有巨大差異。表2統(tǒng)計(jì)了silica-17%與silica-30%在應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)動(dòng)/靜態(tài)壓縮流變應(yīng)力。與準(zhǔn)靜態(tài)加載下強(qiáng)度比較，材料在動(dòng)態(tài)壓縮加載下應(yīng)力提高了104～105倍，這與Jiang等[16]報(bào)道的一種沖擊硬化聚合物的力學(xué)性能吻合。這說明隨著應(yīng)變率的提高，尤其是在動(dòng)態(tài)載荷下，PBDMS-silica材料內(nèi)部發(fā)生了相變，即在低應(yīng)變率下，材料呈黏性流動(dòng)狀態(tài)，而在高應(yīng)變率下轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。根據(jù)PBDMS-silica沖擊載荷響應(yīng)，材料的抗沖擊特性在一定初速度范圍內(nèi)隨應(yīng)變率的提高逐漸增強(qiáng)，并且隨顆粒含量的提高而增強(qiáng)，值得注意的是，材料在動(dòng)態(tài)壓縮下并沒有表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)。這說明動(dòng)態(tài)壓縮僅僅觸發(fā)了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)相變，正應(yīng)力作用不是決定抗沖擊特性應(yīng)變率敏感性的因素。

表1 有限元材料模型參數(shù)設(shè)置

圖7 PBDMS-silica受到初速度v=5 m/s金屬桿沖擊過程中的應(yīng)力分布云圖Fig.7 Distribution of stress of PBDMS-silica under impact loading for an initial velocity v=5 m/s

圖8 有限元模擬在不同初速度下的材料受沖擊區(qū)域最大正應(yīng)力、平均正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.8 Peak normal stress, average normal stress and peak shear stress versus impact velocity in the impacted region by finite element simulation

4.2 PBDMS-silica抗沖擊機(jī)理分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力學(xué)性能及沖擊試驗(yàn)結(jié)果，PBDMS-silica表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能。材料在沖擊載荷下發(fā)生了黏性流動(dòng)狀態(tài)到固態(tài)的相變，并且抗沖擊特性在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)隨應(yīng)變率的提高而增強(qiáng)，這與一些關(guān)于剪切增稠液體[31-32]和沖擊硬化聚合物[16-17]報(bào)道的抗沖擊特性類似。然而，這一類材料抗沖擊特性的機(jī)理還沒有一個(gè)有力的理論解釋。針對(duì)材料在沖擊過程內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提出的模型中，受到一定認(rèn)可的包括有序- 無序轉(zhuǎn)變模型[18]、粒子團(tuán)簇模型[19-20]和阻塞轉(zhuǎn)變模型[21]。

表2 PBDMS-silica在不同平均應(yīng)變率下的流變應(yīng)力

為確定材料在抗沖擊過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以Silica-17%試樣作為研究對(duì)象，采用高速攝像機(jī)記錄試樣在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)中試樣的變形過程，并結(jié)合DIC技術(shù)[33-34]計(jì)算試樣沿加載方向的變形(見圖9(c))。在動(dòng)態(tài)壓縮過程中，試樣發(fā)生非均勻變形，靠近入射桿端的試樣產(chǎn)生了明顯的壓縮變形，而在靠近透射桿端試樣變形較小，進(jìn)而導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)阻塞端(見圖9(b))。圖9(c)顯示了連續(xù)4幀圖像 (frame10～frame13) 試樣沿加載方向的變形呈非均勻分布，并在某一個(gè)位置出現(xiàn)變形趨勢(shì)的拐點(diǎn)。對(duì)于某一時(shí)刻(如圖9(c)中frame12)試樣上變形場(chǎng)分布，試樣變形在拐點(diǎn)(黑色圓圈)后迅速降低，由此認(rèn)定拐點(diǎn)即為阻塞端。值得注意的是，阻塞端沿加載方向的位置呈線性移動(dòng)趨勢(shì)(見圖9(c)中虛線箭頭)，表明阻塞端呈勻速運(yùn)動(dòng)。Waitukaitis等[35]通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了阻塞端呈勻速運(yùn)動(dòng)，并在一定的顆粒含量分?jǐn)?shù)下僅與加載的初速度有關(guān)。以上結(jié)果證實(shí)了在PBDMS-silica受到?jīng)_擊載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了阻塞轉(zhuǎn)變。

進(jìn)一步利用光學(xué)顯微鏡觀察PBDMS-silica受到?jīng)_擊破壞后試樣的斷面。圖10顯示，試樣破壞區(qū)域呈圓錐形，這與有限元分析中正應(yīng)力集中區(qū)域形狀一致(見圖7(a))。根據(jù)Waitukaitis等[36]提出的附加質(zhì)量模型，當(dāng)PBDMS-silica受到?jīng)_擊時(shí)，沖擊區(qū)域前方將產(chǎn)生瞬時(shí)的顆粒局部聚集，并觸發(fā)阻塞轉(zhuǎn)變。阻塞轉(zhuǎn)變區(qū)域瞬時(shí)表現(xiàn)出固體狀態(tài)，強(qiáng)度迅速提高104～105倍，使得材料表現(xiàn)出抗沖擊特性。隨著阻塞端向前移動(dòng)，阻塞區(qū)域逐漸擴(kuò)大，阻塞區(qū)域邊緣集中分布的剪力(見圖7(b))與區(qū)域周圍材料通相互作用，并帶動(dòng)呈黏彈性材料區(qū)域流動(dòng)，由此形成附加質(zhì)量(圖10右側(cè)黃色區(qū)域)。隨著附加質(zhì)量的增加，材料減速作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使得金屬桿沖擊速度降為0 m/s，并開始回彈，最終脫離試樣。

圖10 PBDMS-silica沖擊破壞試樣斷面及阻塞轉(zhuǎn)變機(jī)理示意Fig.10 Fracture surface of PBDMS-silica after impact loading and illustration of jamming transition

根據(jù)有限元分析結(jié)果，阻塞區(qū)域在沖擊過程中處于壓力- 剪力耦合的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(見圖7)。一般認(rèn)為，動(dòng)態(tài)壓縮下材料強(qiáng)度迅速提高是產(chǎn)生抗沖擊性能的決定性因素。但是，剪應(yīng)力在抗沖擊過程中的作用還不明朗。Jiang等[37]考察了剪應(yīng)力對(duì)材料發(fā)生連續(xù)剪切增稠到非連續(xù)剪切增稠轉(zhuǎn)變的作用，提出非連續(xù)剪切增稠現(xiàn)象可以看作是剪切引發(fā)阻塞轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的。Han等[38]通過高速超聲波采集試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)阻塞轉(zhuǎn)變是由剪應(yīng)力觸發(fā)的，而不是正應(yīng)力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬分析，動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)沒有表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)，而剪力在抗沖擊過程中所起作用隨沖擊速度提高而增強(qiáng)。認(rèn)為正應(yīng)力作用觸發(fā)阻塞轉(zhuǎn)變，使得材料局部硬化，是材料抗沖擊性能的驅(qū)動(dòng)力。但材料抗沖擊特性的應(yīng)變率敏感性則是源于沖擊過程中阻塞區(qū)域與黏彈性區(qū)域剪力的相互作用：隨著應(yīng)變率的提高，阻塞區(qū)域與周圍區(qū)域的相互作用頻率提高，導(dǎo)致附加質(zhì)量增加加快，從而提高了材料對(duì)沖擊桿的減速效應(yīng)，同時(shí)表現(xiàn)出更加明顯的抗沖擊性能。

4.3 PBDMS-silica改性方向

根據(jù)PBDMS-silica抗沖擊性能的機(jī)理分析，增大顆粒含量百分比和提高材料動(dòng)態(tài)剪切響應(yīng)是增強(qiáng)抗沖擊性能的有效途徑。然而，以聚合物為基體的材料難以無限度地提高二氧化硅顆粒含量。在基體材料和顆粒含量一定的情況下，二氧化硅物理、化學(xué)特性將決定材料的剪切響應(yīng)。例如顆粒形狀將直接影響顆粒間相互作用力，進(jìn)而改變材料的黏性。因此，進(jìn)一步研究顆粒物理、化學(xué)特性對(duì)動(dòng)態(tài)剪切響應(yīng)的影響對(duì)改進(jìn)材料抗沖擊性能至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本文研究了一種沖擊硬化聚合物復(fù)合材料PDBMS-silica的抗沖擊性能和材料抗沖擊過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及相應(yīng)的力學(xué)原理。

1) 金屬桿撞擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，在一定初速度范圍內(nèi)，抗沖擊性能隨初速度的增大而提高。二氧化硅顆粒含量高的材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗沖擊性能(沖擊過程中產(chǎn)生的峰值加速度更大，材料最大壓縮變形量更小)。

2) 分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、基于改進(jìn)型SHPB平臺(tái)的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)對(duì)比材料的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力學(xué)性能。材料在動(dòng)態(tài)加載下強(qiáng)度提高了104～105倍。應(yīng)變率為1 500～3 500 s-1范圍內(nèi)，材料動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)下并沒有表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)。

3) 通過ABAQUS軟件模擬沖擊試驗(yàn)過程，分析得出材料受沖擊區(qū)域處于壓力- 剪力耦合的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，剪力所起作用隨沖擊速度提高逐漸增強(qiáng)。

4) 為進(jìn)一步確定材料抗沖擊機(jī)理，運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝Silica-17%試樣在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)中的變形過程，結(jié)合DIC技術(shù)計(jì)算試樣沿加載方向變形場(chǎng)。沖擊過程中，材料受到?jīng)_擊區(qū)域前方將產(chǎn)生瞬時(shí)的顆粒局部聚集并觸發(fā)阻塞轉(zhuǎn)變，使得材料內(nèi)部阻塞區(qū)域形成固體狀態(tài)，阻塞區(qū)域流變應(yīng)力迅速提高產(chǎn)生抵抗進(jìn)一步?jīng)_擊的正應(yīng)力；同時(shí)阻塞區(qū)域通過剪應(yīng)力與周圍黏彈性區(qū)域相互作用，加快減速過程。PBDMS-silica的抗沖擊性能來源于動(dòng)態(tài)壓縮，而剪應(yīng)力決定了材料抗沖擊特性具有應(yīng)變率效應(yīng)，即在一定初速度范圍內(nèi)抗沖擊性能隨沖擊速度增大而提高。

5) 鑒于通過提高顆粒含量百分比來增強(qiáng)PBDMS-silica抗沖擊性能的方法發(fā)展?jié)摿τ邢?，進(jìn)一步研究顆粒物理、化學(xué)特性對(duì)動(dòng)態(tài)剪切響應(yīng)的影響對(duì)改進(jìn)材料抗沖擊性能具有重大意義。

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