科研團隊采用脈沖電流改善復合材料抗沖擊性能

27日，記者從西北工業大學獲悉，該校力學與土木建筑學院王富生教授團隊提出了一種采用脈沖電流來改善三維正交編織復合材料抗沖擊性能的方法，并系統揭示了脈沖電流對正交編織復合材料沖擊損傷的抑制機理。相關成果近日在線發表于國際期刊《自然·通訊》。

據了解，航空、航天和土木等工程領域中，碳纖維/環氧樹脂基復合材料受到沖擊載荷容易出現纖維斷裂、樹脂破壞和分層等損傷形式，降低復合材料的承載能力，對飛行器和土木工程等結構的安全帶來威脅。此前，對于提升復合材料抗沖擊性能的方法多從材料改性、結構設計和制造工藝等方面考慮，但對改善復合材料的抗沖擊性能仍存在局限性。

對此，王富生教授團隊與合作者將編織物的結構特性和碳纖維的電磁特性相結合，提出了一種降低三維正交編織復合材料沖擊損傷的策略。利用無線通信技術，設計搭建了落錘沖擊試驗機、電流源和數據采集設備等一體集成的實驗平臺，實現了脈沖電流和沖擊力對正交編織復合材料的協同加載。

研究結果表明，隨著脈沖電流峰值從0A增加到110A，三維正交編織復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%。多尺度多物理場建模分析表明，載流碳纖維使得紗線束受到了橫向壓縮性質的電磁體力，有利于提升紗線的機械性能；紗線中微裂紋的形成和擠壓變形會引起碳纖維之間局部電流的重新分布，其與自場相互作用會產生抗沖擊效應。基于材料-結構-功能的一體化設計思想，有效控制脈沖電流對復合材料熱效應的影響。研究人員介紹，此項研究成果可以為提高復合材料在沖擊載荷下的損傷容限提供新途徑。