通过脉冲电流作用来减少编织复合材料的冲击损伤效应
1. 导读
碳纤维增强复合材料由于其高比刚度、强度和可设计性而广泛应用于航空航天、航空以及国防领域。然而，在其制造和使用过程中，它们对从掉落的工具、碎片或鸟类等低速冲击事件非常敏感，这可能导致剥离破坏，并显著降低承载能力。因此，已经进行了大量研究，以改善复合材料的低速冲击响应，从结构设计如胶合板堆叠顺序、胶合板厚度的设计到3D结构设计等各个方面。与二维层压复合材料相比，三维正交编织复合材料（3DOWC）由于具有穿透厚度的Z绑定纱线的存在，可以改善剥离行为。此外，纤维混合也是提高抗冲击性的有效方法，正如在参考文献中所报道的。这些方法只能在制造阶段进行，因为最终产品的内部结构和组成材料很难再次改变。
利用导电碳纤维的优势，由于其内部近似石墨结构和将电导体耦合到电磁环境的原理，一定程度的电磁环境可以提高碳纤维/环氧层压板的强度，抵抗碎片诱发的断裂或剥离。碳纤维的导电性可以通过经典的杂化轨道理论来理解，如图1a–d所示，碳原子在平面内形成一个六角形晶格，形成单层石墨。由于碳原子中的电子构型为1s22s22p1x2p1y2p0z，一个碳原子通过sp2（2s，2px，2py）杂化轨道构成了三个稳定的平面σ键，而位于晶格平面垂直的自由移动的π键由石墨结构中的2pz轨道构成。六角形碳环的变形和分离由于σ键需要高的能量，从而在宏观层面提供了碳纤维的强度，而π键使其成为良好的电导体。此外，先进的控制技术可以将具有导电性的复合材料的结构性能与电气、磁性或热性能耦合在一起，为多功能平台提供了丰富的可能性。例如，电磁发射技术已经在军事对抗中使用，包括电磁弹射器、电磁轨道炮和电磁线圈炮。电动汽车在电气化道路上的充电已经利用了无线电能传输技术。这些技术主要利用了电磁效应对导电固体的正面影响，以及通过信息流对结构和电磁系统进行精确控制和诊断的积极影响。因此，通过先进的控制技术来提高复合材料的性能，充分利用材料的多功能性质是一个有前景的方向，例如导电纤维中的一个关键物理效应是在电场的作用下物质被压缩。
尽管电磁环境可以改善导电层压板的机械性能，但其对于更复杂的导电结构，如3D正交编织复合材料（3DOWCs）的影响和机制尚未报道。如图1e所示，3DOWCs由具有导电碳纤维/环氧纱线和绝缘环氧树脂填充的复杂编织结构组成。导电经线和纬线纱线在平面方向上垂直交织。导电Z绑定纱线沿经线方向波动，并用于在厚度方向上绑定纬线和经线纱线。在这一点上，当施加脉冲电流时，这些纱线等效于裸导线。电流通过纱线的交织结构流过，形成如图1f所示的复杂导电网络。冲击力是基于电气化应用于3DOWCs的，这是电磁、热和机械领域之间的典型实时耦合问题，如图1g所示。在这种情况下，由于电流和自身场之间的电流场相互作用以及相应的电热应力，洛伦兹力影响了机械响应。反过来，冲击力引起的变形和损伤改变了3DOWCs板的内部结构，导致电磁和热场的重新分布。
鉴于此，西北工业大学土木工程学院王富生等人设计了一个综合的实验平台，由电流供应、落地试验机和数据采集设备组成，通过无线通信技术实现了脉冲电流和冲击力对3DOWCs板的协同作用。研究了冲击力和脉冲电流对3DOWCs板的影响以及多物理场相互作用机制。基于电磁、热和机械领域的实时顺序耦合，开发了3D正交编织复合材料与脉冲电流的协同响应的动态数值模型。我们发现引入3DOWCs板的脉冲电流可以有效减小冲击损伤。我们的实验观察和模拟结果进一步揭示了在脉冲电流和冲击载荷下减小3DOWCs损伤的机制。相关工作以“Impact damage reduction of woven composites subject to pulse current”发表在《Nature communication》上。
2. 图文速递
图1. 3D正交编织复合结构和多物理场耦合。 a 碳原子中电子的基态能级。 b sp2杂化轨道。 c 由sp2杂化产生的两个碳原子之间的σ和π键。 d 导电碳纤维及其内部近似石墨结构。 e 结构架构及其组成部分，包括经线、纬线、Z绑定和环氧树脂基体。 f、g 受脉冲电流影响前后的3D正交编织复合材料动态电磁、热和机械响应。
图2. 设计的实验平台和试样。 a 落地冲击、电流和测试采集的综合实验平台。 b 试样尺寸和导电胶分布。 c 设备连接示意图。 d 双指数脉冲电压波形。
图3. 受50 J冲击能量和不同脉冲电流影响的3D正交编织复合材料的实验和检测结果。 a–c 力、变形和吸收能量的冲击响应曲线。 d 非弹性能量和残余变形。 e 带有脉冲电流峰值0 A的显微镜图像。 f–i 不同脉冲电流峰值0 A、30 A、70 A和110 A的超声C扫描图像。
图4. 在选择的时间点下，受50 J冲击能量和脉冲电流峰值为110 A的情况下，3D正交编织复合材料的响应，这些时间点在补充图2l中有标记。从上到下，图中显示了电势、电流密度、磁通密度、电磁力、温度、有效热应变和总有效应变的分布。
图5. 在选择的时间点下，受50 J冲击能量和脉冲电流峰值为110 A的情况下，3D正交编织复合材料的冲击响应，这些时间点在补充图2l中有标记。随着冲击器的能量转化为板材的弹性和非弹性能量，纱线被挤压甚至损坏，表明大变形和损伤导致电流通道的变化。
本研究通过结合编织织物的结构特性和碳纤维的电磁特性，提供了一种减小3D正交编织复合材料冲击损伤的策略。设计了一个综合实验平台，利用无线通信技术研究脉冲电流和冲击力的协同作用效应。实验结果表明，引入脉冲电流到3D正交编织复合材料中可以显著减小冲击损伤的深度和面积。具体而言，脉冲电流峰值从0 A增加到110 A，导致非弹性能量从27.59 J降至17.71 J，以及残余变形从2.75 mm降至1.44 mm。基于损伤力学理论扩展考虑经典电磁学和热传递的多场耦合模型揭示了损伤减小的机制。对于单根纱线而言，由平行电流导致的碳纤维的洛伦兹力的集体效应导致了宏观横向收缩变形，表明电流可以改善材料的机械性能。对于在冲击载荷下由纱线编织成的整个3D正交结构，纱线之间的局部挤压改变了碳纤维中的脉冲电流流动方向，其与自身场的相互作用提供了抵抗冲击力的压缩电磁力。即使冲击损伤导致部分电路中断，电流仍将在复杂的纱线中形成新电路以持续抵抗冲击。此外，脉冲电流可以保持复合材料的能量损失在低水平，有效避免了由热膨胀引起的损伤。基于这些结果，我们提供了一些关于如何充分利用复合材料中碳纤维的电磁特性实现主动冲击损伤减小的一般指导方针。
