仿生纤维增强剪切增稠弹性体在复杂动态载荷下的抗冲击性能研究

摘要整理

纤维增强聚合物（FRPs）通过压缩模塑、拉挤等工艺采用高性能纤维和聚合物基体制备，因其高比模量、可调节的力学性能和优异耐久性在高端装备制造领域获得广泛应用。然而，传统FRPs在复杂动态载荷下的抗冲击性能不足，限制了其工程应用范围。本研究开发了一种纤维增强弹性体复合材料（SSEK），由剪切增稠弹性体（SSE）基体与高韧性芳纶纤维（Kevlar）复合而成，利用速率相关的力学强化效应显著提升抗冲击性能。该复合材料受纤维软骨的结构和功能特征启发，充分利用粘弹性SSE基体与嵌入纤维之间的协同动态耦合作用，在宽应变率范围和多种加载模式下实现高效能量耗散。研究表明，SSEK的比能量吸收能力比均质SSE基体提高14倍，在落锤冲击和弹道冲击测试中性能优于单相组分和商用对标产品。通过数字图像相关（DIC）与有限元分析（FEA）耦合方法揭示了纤维-基体载荷传递机制和界面失效行为。该复合材料具有优异的热稳定性和阻燃性能，已在赛车运动防护系统中得到验证，展示了高性能剪切增稠材料在下一代防护系统中的应用潜力。

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