聚脲材料动态力学性能试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)通信作者:李亮博士生导师:.引用格式:刘文礼杜修力李亮等.聚脲材料动态力学性能试验研究.应用力学学报():.():.聚脲材料动态力学性能试验研究刘文礼杜修力李亮马睿(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室 北京)摘 要:应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究 分别开展了聚脲 材料常温条件()下的动态压缩和动态拉伸试验以及高温(、)和低温(、)条件下的动态压缩试验研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能并研究了应变率和温度对材料动态力学性能的影响规律 研究结果表明:在不同温度下聚脲 材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应随着加载应变率的增大材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升聚脲 材料的动态力学性能具有明显的温度相关性高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律 高温条件下聚脲 材料的动态压缩性能发生劣化 其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低 随着温度的升高 材料的动态抗压强度降低 低温条件下聚脲 材料的动态压缩性能有显著的改善与提升 其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高 随着温度的降低 材料的动态抗压强度提高关键词:聚脲材料动态压缩动态拉伸应变率中图分类号:文献标志码:./.():.()()().:.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:各类工程结构在其服役期内会由于各种原因如燃油气爆炸、恐怖袭击等受到爆炸荷载的作用爆炸产生的冲击波与碎片将对工程结构产生巨大的安全威胁 工程结构的抗爆安全性问题须进行研究 相较于准静态荷载冲击爆炸荷载具有高强度低脉宽的特点因此对防护结构及其构件提出了更高的要求 目前大多数结构都是钢筋 混凝土结构对冲击爆炸荷载的防护有限 提高工程结构抗爆安全性的途径之一是选用特定的材料对结构及其构件进行加固 聚脲材料具有良好的物理力学性质如具有极高的抗冲击性能、柔韧性、耐磨性、防湿滑、耐老化、防渗漏、耐腐蚀等特性该材料还具有保温、防水抗冻、防止混凝土冻融等功能 已有学者对聚脲材料的抗爆、抗侵蚀性能进行了分析 聚脲材料已被广泛应用于各类土木工程结构及其构件近年来主要应用在混凝土结构抗爆抗冲击防护、裂纹渗透、冻融剥蚀、钢筋锈蚀、加固砖填充墙抗爆、钢结构的抗冲击、钢筋混凝土板抗爆和城市地下市政基础设施领域中国内外学者针对聚脲材料的静、动态力学性能开展了研究 石光明等利用万能试验机得到了聚脲材料在.应变率范围内准静态压缩下的应力应变关系 贾子建得到了应变率为.、.下的压缩应力应变关系同时得到了.应变率范围内的拉伸应力应变关系 等开展了聚脲在高应变率范围内的动态力学性能研究利用霍普金森压杆(铝材质)设备进行了聚脲材料的动态力学试验得到了聚脲在不同应变率下的应力应变曲线 结果表明聚脲具有优异的变形能力和强应变率效应 拉伸性能方面和 等利用了 高速拉伸机得到了材料中应变率 下的单轴拉伸应力应变关系 代利辉等利用霍普金森拉杆()开展了聚脲材料在()范围内的高应变率单轴拉伸试验 了解高应变率下该材料的力学性能规律有利于对该材料抗冲击抗爆起到一定的参考作用聚脲材料可应用于多种工程结构的抗爆加固包括建筑结构、桥梁结构和水利工程结构等 由于不同工程结构所处的地区不同以及季节的变化会使聚脲材料的工作温度有较大范围的变化可能低至 也可能高达 在不同的工作温度条件下聚脲材料的动态力学性能会发生显著的变化因此有必要考虑温度和加载速率的耦合研究不同温度和不同应变率组合条件下聚脲材料的动态力学性能 目前针对聚脲材料在高应变率与温度耦合条件下率温耦合动态力学性能的研究开展的还不充分国内外学者针对聚脲做了低温以及常温的率温效应试验 但是对高温与高应变率耦合下的率温效应的试验研究开展较少 本研究将开展此项研究重点关注高温对聚脲材料力学性能的影响并研究材料的力学性能随温度变化的规律 聚脲为黏弹性体聚合物由异氰酸酯组分(组分)和合成树脂混合组分(组分)经过聚合反应而成 合成组分的配比不同其反应生成的该材料的力学性能也存在差异 本研究将针对具有高断裂延伸率和优异抗冲击性能的聚脲 材料开展不同温度条件下的动态压缩与动态拉伸试验研究该材料的动态力学特性并研究温度和应变率对其动态力学性能的影响规律 本研究采用了带有温度装置的霍普金森压杆和霍普金森拉杆开展不同温度条件下的动态压缩与拉伸试验的方法研究温度和应变率对聚脲材料动态力学性能的影响以期为聚脲材料高应变率下的本构关系提供参考数据第 期刘文礼等:聚脲材料动态力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 试验概况.试验装置采用西北工业大学飞行器结构力学与强度技术国防重点科学实验室的低阻抗分离式霍普金森()压杆和拉杆装置进行动态压缩和拉伸试验 试验装置如图 和图 所示 压杆材料采用 号钢入射杆和透射杆的直径均为 长度均为.在入射杆和透射杆与试件接触的端部均匀涂抹一薄层二硫化钼以消除端面摩擦力的影响拉杆材料为钛合金 入射杆和透射杆的直径和长度均与压杆相同 由于聚脲材料的波阻抗较低动态压缩和拉伸试验中均采用灵敏度系数较高的半导体应变片图 分离式霍普金森压杆试验装置.图 分离式霍普金森拉杆试验装置.试验材料与试件设计本次试验的材料为聚脲 型号材料其主要的力学性能参数列于表 表中参数由江苏江化聚氨酯产品质量检测有限公司提供是在聚脲材料喷涂完成以后固化养护 后测试所得 动态压缩试验的试样为圆柱体长度为 直径为 动态拉伸试验的试件为如图 所示的狗骨形平板试件试件中部为有效拉伸段长度为 试件两端的放大段与试验装置连接有效拉伸段与放大段之间采用圆弧过渡过渡圆弧段半径为 采用 的聚脲板由数控雕铣机进行试件的加工成形 在拉杆试验装置的入射杆和透射杆端部开槽将带有 螺纹的夹具与入射杆和透射杆连接将试件通过高强度胶与夹具进行黏接从而实现其与试验装置的连接 这种连接方式可以减少连接界面对试验信号的影响具有连接紧密、连接接触面少和试验信号稳定等优点 试件与夹具黏接后须静置 以保证黏接胶的强度充分发挥使试件与试验装置的连接牢固图 动态拉伸试验的试件.表 聚脲 材料力学性能参数.密度/()拉伸强度/撕裂强度/()断裂延伸/.基本假定本研究须满足霍普金森杆试验技术的 个基本假定:杆中一维应力波假定试件中的应力和应变沿试件长度方向均匀分布假定 基于上述假定可得试件的应力、应变和应变率分别为 ()()()()()()式中:和 分别为杆材料的弹性纵波波速和弹性模量 为杆的截面面积 和 分别为试件的初始 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报截面面积和初始长度、和 分别对应试件端面的入射波、反射波和透射波三者的关系由式()给出 式()也是对霍普金森杆试验结果的有效性进行验证的依据.试验方法本次试验须研究不同温度条件下聚脲材料的动态力学性能 高温试验通过在试件上缠绕电阻丝的方法来控制试件的温度 低温试验在入射杆和透射杆中放置低温环境箱通过液氮对箱内环境进行降温采用低温探头测定试样温度 考虑到聚脲材料的导热系数较低当达到设定的试验温度后须保持至少 以上以确保试件整体均达到设定的试验温度然后再进行动态冲击加载 本次试验考虑的温度变化范围为 在该范围内入射杆和透射杆弹性模量的变化可以忽略不计即认为温度变化对波传播特性的影响很小 动态压缩和动态拉伸的典型波形分别如图 和图 所示 由图可知入射波、反射波和透射波满足式()的关系验证了试验的有效性 此外由图 可知反射波趋于平缓状态基本实现了恒定应变率的加载 在动态拉伸试中由于试件的断裂会影响透射波的传播使其不容易被观测和采集 而由图 可知本研究动态拉伸试验的透射波信号比较稳定分别开展常温条件()下聚脲 材料的动态压缩和动态拉伸试验以及不同温度条件下的动态压缩试验 动态加载的应变率分别为、试验温度分别为、研究应变率和温度对聚脲 材料动态力学性能的影响规律 相对于常温 和 可视为低温 和 可视为高温图 动态压缩波形.图 动态拉伸波形.试验结果与分析.常温动态压缩试验常温条件下()聚脲 材料的动态压缩试验结果如表 所示不同应变率条件下动态压缩的应力应变曲线的对比如图 所示 将应力应变曲线的最高点对应的应力和应变作为峰值应力和峰值应变单位体积应变能表征材料在动态压缩条件下的耗能能力定义为应力应变曲线与横轴所包围的面积 由表 中试验结果可知聚脲 材料的动态压缩性能呈现出明显的应变率效应 随着加载应变率的增大材料的峰值应力、峰值应变和单位体积应变能均逐渐增大即材料的动态抗压强度、变形能力和耗能能力均随应变率的增大而逐渐提高 与应变率为 时相比应变率为 、时的峰值应力分别增大了、峰值应变分别增大了、单位体积应变能分别增大了、由图 可知在相对较小的应变率(、)下聚脲 材料的应力应变曲线包括两段即初始上升段和峰值应力后的下降段在相对较大的应变率(、)下材料的应力应变曲线包括 段即初始上升段、塑性平台段和峰值应力后的下降段材料表现出明显的应变硬化特性 此外随着应变率的增大塑性平台段起始点的应变逐渐减小 应变率为 、时塑性平台段起始点的应变分别为、.、.、.第 期刘文礼等:聚脲材料动态力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 聚脲 材料常温动态压缩试验结果.应变率/峰值应力/峰值应变单位体积断裂能/().图 不同应变率下聚脲 材料常温动态压缩应力应变曲线对比.常温动态拉伸试验常温条件下()聚脲 材料的动态拉伸试验结果如表 所示不同应变率条件下动态拉伸的应力应变曲线的对比如图 示 峰值应力和峰值应变的定义同动态压缩 断裂能是指试样在动态拉伸作用下裂缝扩展单位面积所需要的能量其值可换算为应力应变曲线与 轴围成的面积 由表 可以看出聚脲材料的动态拉伸性能呈现出明显的应变率效应 随着应变率的提高材料的峰值应力、峰值应变和断裂能均明显增大 即表示材料的动态抗拉强度、变形能力和耗能能力均随应变率的增大而逐渐提高 与应变率为 时相比应变率为 、时的峰值应力分别增大了、峰值应变分别增大了、和 断裂能分别增大了、断裂能随加载应变率增大而增长的幅度最为显著 随着应变率的增大聚脲材料的强度和变形能力均有提高二者的叠加导致材料的耗能能力显著提高表 聚脲 材料常温动态拉伸试验结果.应变率/峰值应力/峰值应变单位体积断裂能/().图 不同应变率下聚脲 材料常温动态拉伸应力应变曲线对比.由图 可知聚脲 材料的应力应变曲线大致包括 段 即初始上升段塑性平台段和峰值应力后的下降段材料表现出明显的应变硬化效应试样在相对较小的应变率(、)下卸载以后的形态如图 所示 由图可知卸载以后试样可快速恢复原状 在应变率 下卸载后材料并无裂缝产生也未发生尺寸上的变化在应变率 下卸载后试样也只产生了几条不明显的微小裂缝 说明材料具有较好的弹性和自愈性能 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 卸载后试样破坏形态.高温与低温条件下的动态压缩试验不同试验温度下聚脲 材料的动态压缩试验结果如表 所示 各试验温度下不同应变率时聚脲材料动态压缩应力应变曲线的对比如图 所示由试验结果可知与常温条件下相同聚脲 材料在高温与低温条件下的动态压缩性能也呈现出显著的应变率效应 在同一试验温度下随着应变率的增大材料的动态抗压强度、变形能力和耗能能力均逐渐提高同一应变率时不同试验温度下聚脲材料动态压缩应力应变曲线的对比如图 所示 由图可知聚脲 材料在高温与低温条件下的动态压缩性能呈现不同的规律 在高于常温的高温条件(、)下聚脲材料的应力随着应变的增大缓慢上升其动态压缩的应力应变曲线呈现应变硬化的规律 随着温度的升高材料的峰值应力减小峰值应变差别并不大即随着温度的升高材料的动态抗压强度降低变形能力近乎不变 同时高温条件下聚脲材料的动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低、时的峰值应力分别比常温条件下降低了约 和 高温作用使聚脲材料的动态压缩性能发生劣化 在实际试验中高温动态压缩结束后可观察到材料发生了明显的软化现象 在低于常温的低温条件(、)下聚脲材料的应力随着应变的增大先迅速上升达到峰值后随着应变的增大出现不同程度的降低其动态压缩的应力应变曲线呈现应变软化的规律 除应变率为 的工况以外其他应变率的加载条件下的应力应变曲线均有明显的下降段 随着温度的降低材料的峰值应力增大 的峰值应力比 时增大了约 即随着温度的降低材料的动态抗压强度提高 同时低温条件下聚脲材料的动态抗压强度较常温条件下有大幅度的提高 的动态抗压强度大约是常温条件的 倍 的动态抗压强度可达常温条件的 倍 低温条件下材料的耗能能力也较常温条件下有显著的提高 低温条件下聚脲材料的动态压缩性能有显著的改善与提升 原因在于低温条件下聚脲材料会发生从橡胶态向玻璃态的转变其硬度提高抗压性能改善 与混凝土类材料相比聚脲材料的动态力学性能受温度影响的程度更大其动态力学性能随温度的变化更加显著表 不同试验温度下聚脲 材料动态压缩试验结果.温度/应变率/峰值应力/峰值应变单位体积断裂能/().由试验结果可知在高温和低温条件下聚脲材料呈现出不同的力学响应特性即在高温下呈现应第 期刘文礼等:聚脲材料动态力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报变硬化而在低温下呈现应变软化的规律 原因在于聚脲材料是一种黏弹性材料受温度影响其力学性能变化较大 随着温度的变化黏弹性材料弹性模量变化较大 且聚脲弹性体随温度的增加聚合物从玻璃态行为逐渐转变为橡胶态行为所以材料呈现了从高温条件的应变硬化到低温条件的应变软化的特性图 同一温度下不同应变率聚脲 材料动态压缩应力应变曲线对比.图 不同试验温度下聚脲 材料动态压缩应力应变曲线对比.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 结 论本研究应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究 分别开展了聚脲 材料常温条件()下的动态压缩和动态拉伸试验以及高温(、)和低温(、)条件下的动态压缩试验研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能并研究了应变率和温度对材料动态力学性能的影响规律 得到如下主要结论)在不同的温度条件下聚脲 材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应 随着加载应变率的增大材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升)聚脲 材料的动态力学性能具有明显的温度相关性高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律)高温条件下聚脲 材料的动态压缩性能发生劣化其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低 随着温度的升高材料的动态抗压强度降低 高温条件下材料的动态压缩应力应变曲线呈现应变硬化的规律)低温条件下聚脲 材料的动态压缩性能有显著的改善与提升其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高 随着温度的降低材料的动态抗压强度提高 低温条件下材料的动态压缩应力应变曲线呈现应变软化的规律参考文献:李洪祥陶俊林卢永刚等.爆炸作用下玻璃碎片云轮廓扩展数据拟合研究.兵器装备工程学报():.():().:.鲁向辉周春桂王志军等.爆炸载荷下装甲车辆的动态响应分析.含能材料():.():().郭国吉陈彩英王向明等.聚脲弹性体防护材料的研究进展.中国表面工程():.():().张月孙鹏飞吕平等.自然曝晒条件下聚脲涂层的耐老化性能研究.材料导报():.():().白洋.棋盘山水库输水洞渗漏处理方案研究.东北水利水电():.():().唐澄宇边建厂王海龙.钢制水箱聚脲防腐层施工难点分析及控制.科技与创新():.():().庹建华黄正海.高寒地区水电站大坝混凝土表面的防渗和保温施工.四川水力发电(增刊):.():().王宝柱郭磊岳长山等.喷涂聚脲防水涂料在市政环保工程中的应用.中国建筑防水(增刊):.():().杨霞仲小亮.城市污水环境下防水防腐涂层的老化性能研究.中国建筑防水():.():().刘嵘嵘.综合管廊聚脲复合涂料防水体系研究与应用.中国建筑防水():.():().孟伟龙.高性能改性聚合物修补砂浆结合聚脲涂料在冻融剥蚀修复工程上的应用.黑龙江水利科技():.():().肖毅华吴和成.弹体形状对陶瓷/聚脲复合板抗侵彻性能影第 期刘文礼等:聚脲材料动态力学性能试验研究 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