仿生层状纳米复合材料的冲击力学性能研究

【作者】 吴文凯； 杨振宇； 卢子兴；

【机构】 北京航空航天大学航空科学与工程学院；

【摘要】 近些年来,仿生珍珠母材料以其独有的特殊力学性能引起了研究者的广泛关注,特别是其优异的抗冲击力学性能,为实际工程中许多高性能抗冲击防护材料的设计打开了新思路。目前无论在数值模拟、实验还是理论上,对于这类仿生材料面内力学性能的研究都已较为成熟,但其在面外方向的力学性能仍缺乏较为深入的研究,尤其是在微纳米尺度上的冲击研究。现有许多研究结果都已表明,无论是实际生物材料还是仿生材料,其在微纳米尺度上的特征结构是决定其力学性能的重要因素,因此对于此类材料在纳米尺度上的面外冲击研究显得尤为必要。本文采用分子动力学的方法,根据典型的珍珠母"砖泥"结构建立了纳米尺度的数值仿真模型。不失一般性,本文选用碳化硅作为硬相增强材料,选用韧性较大的金属铜作为软相基体材料,形成具有珍珠母仿生结构的陶瓷增强金属基纳米复合材料。在加载方式上,本文建立了一种"弹靶"冲击模型,研究了在不同"子弹"冲击速度下材料的冲击响应。结果表明,与纯碳化硅材料相比,珍珠母仿生材料在冲击过程中展现了更大的韧性和弹塑性变形能力,使其在变形过程中吸收了更多的能量,从而大大提高了其抵抗冲击的能力。基于此,文章进一步探讨了硬相碳化硅材料的体积含量对复合材料整体冲击力学性能的影响,发现在本文的模拟条件下存在一个较优的体积含量值。另外在冲击过程中,还发现复合材料界面处首先出现了损伤并发生脱粘行为,可见界面强度对复合材料的冲击性能也有着重要的影响。更多还原