先進材料的動態力學行為的案例
超薄電子產品外殼用復合材料動態拉伸力學行為特征及其失效機理研究
圖1 消費電子產品
聚碳酸酯（PC）及其復合材料因其優異的綜合性能，已成為高端電子產品外殼的首選材料。然而，該復合材料在服役時極易受到較強的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強 PC 復合材料在寬應變率范圍內的力學行為特征和失效機理顯得尤為重要。
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。
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樣品制備
實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
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評價方法設計
不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。
準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。
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材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
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電子書
材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
中文（簡體） |2025 年 |ISBN-10：3031928776 |305 頁|Epub PDF （正確） |87 兆字節
本書全面研究了在動態載荷（包括沖擊、爆炸、高壓和高應變率）下控制固體破壞的基本原理。它介紹了實驗和理論研究，并根據實驗數據和既定的分析解決方案驗證了數值分析。探索的材料包括金屬多層板、功能分級材料、先進復合材料、智能材料和天然物質。
展開 談材料力學行為研究的標配—ABAQUS UMAT
即，通過用戶描述材料的力學行為特征，AI就可以自動生成UMAT或者VUMAT子程序，供用戶使用。</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://public.fangzhenxiu.com/ueditor/20251106151144-image.png?imageView2/0" alt="image.png"> </p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">當然，除了AI自身增強對力學概念的理解，還需要數據支持。無論是各種彈塑性模型還是復合材料漸進失效模型，里面各種系數實際上是需要針對不同的材料做試驗測試才能獲取。尤其是多種多樣的復合材料。就我所了解，德國就有將各個試驗室和研究單位的材料本構數據統一管理的計劃，一旦把數據格式統一，隨著時間積累形成大數據庫。在AI技術的加持下，說不定靠寫材料本構就能研究生畢業的情況，將一去不復返。與之相對的，做基礎試驗或者尋找材料特性應用場景或將更加重要。</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://public.fangzhenxiu.com/ueditor/20251106151153-image.png?imageView2/0" alt="image.png"><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p class="ql-align-justify">歡迎關注“靜界有限元”</p><p class="ql-align-justify">工作室面向在校學生、科研院所老師提供結構有限元仿真（含二次開發）、流體力學仿真、算法開發、軟件開發服務。
展開 abaqus中塑膠材料的力學行為的設定
下圖是一張傳統的金屬材料的應力應變曲線。
從圖中可看出，金屬應力應變曲線在屈服之前都是一個穩定的直線段，我們把0.002作為材料屈服位置,從右邊這張表格可以看出，2805這種材料信息中包含tensile modules 是2400mpa。Tensile of stress 在屈服的時候是66mpa，屈服的應變是6.2%。現在我們用這個簡單的公式應力等于楊氏模數乘以應變。你會發現這三個值去計算的結果是并不相等的。
如果遇到這種狀況，尤其是還差很多，一個是本來應該是屈服強度是66mpa，它提供的信息算出來就是將近150mpa。那所以我們就要知道，材料在發生屈服之前，其實是一段非線性的彈性行為。那遇到這種狀況該怎么辦？
看下圖，右邊圖材料信息與上圖一致，左邊是Campusplsastics軟件找到同樣一種材料。這張圖是在不同溫度下的拉伸應力應變曲線。
找到綠色曲線，也就是23度，室溫情況，跟我們的另外一個prospect 找到的資料，同樣是室溫情況下去做拉伸試驗。可以看到它的數據是相同，就是他在屈服的時候，最大值的地方，它的應變是6.2%，屈服應力是66mpa。 知道他把屈服點定在這個位置。2400moa其實是在拉伸段一開始的時候比較短的直線段，但是后來他就開始發展成非線性的彈性行為。這時候我們就不能用傳統的那個那種彈性+塑性的方式去描述材料行為。那一般的塑膠材料還會有另外一種特性，就是它的拉伸跟壓縮的行為通常會是不一樣的。可以看下圖。
從上圖可以看出在右半側這邊是拉伸，左半邊是壓縮，同樣都5%的地方去看它的應力會是不一樣的。它表示說他的拉伸跟壓縮的行為是不一樣的。但是通常材料比較怕拉伸行為，所以我們做單拉實驗，是做一個比較保守的設計。
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《先進功能材料》智能介電彈性體驅動器：電場與力學自愈合
常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
全文鏈接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808431 來源：高分子科學前沿
展開 我國力學工作者在材料動態失效領域的最新成果
同時，變形區域的溫度分布表明材料沒有出現局部化的熱軟化。此外，由于應變率硬化使得材料的應力增大了50-60MPa。因此，熱軟化效應不足以促使應力的陡降或絕熱剪切帶的萌生。當絕熱剪切帶萌生后的30μs，溫度達到最大值。溫度的快速上升可以認為是絕熱剪切帶形成和傳播導致的。同時，通過分析高速相機獲得變形過程，可以知道絕熱剪切帶完全傳播到整個試樣的時間小于10μs。因此，更大局部變形促進絕熱剪切帶的發展，更帶來了局部更高的溫度。如將絕熱剪切局部化過程中的典型事件按照時間先后排序：應力峰值-絕熱剪切帶萌生-絕熱剪切帶傳播/溫度上升-最大溫度/宏觀裂紋。絕熱剪切帶萌生后的溫度上升意味著溫升不是觸發絕熱剪切帶形成的原因，而是絕熱剪切局部化導致了溫度的上升。傳統的絕熱剪切帶熱軟化機理應該需要被重新認識。
展開 ：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
自然界中，很多生物體的軟組織或器官進化出了具有力學模量動態可調控特征的先進機制，可實現界面接觸狀態的動態轉變，以滿足運動過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應該很難抓住它。事實上，在鯰魚處于平靜狀態時，我們仍然能夠很容易地用手抓住它。然而，一旦鯰魚發生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時，我們會感觸到魚皮表面進入了一種硬化和超滑的狀態；這主要是因為鯰魚受到外界刺激時，肌肉系統應激發生了快速硬化，導致手掌和魚皮表面接觸點大幅度減小，摩擦力顯著降低。
最近，受鯰魚肌肉硬化觸發的潤滑轉變行為啟發，中科院蘭州化學物理研究所周峰/麻拴紅團隊，報告了一種新型的模量自適應潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復滑動摩擦測試方式驗證了制備材料的智能潤滑調控行為。低溫條件下，材料處于軟質凝膠態（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態，滑動剪切仍然會引起材料的嚴重彈性畸變，此時摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。
展開 科技前沿 | 材料動態力學測試——霍普金森桿實驗
由應力平衡條件導出： （4） ；將式（4）代入（1）、（2）、（3）式可得 （5） （6） （7）
所以， 在應力平衡的條件下可采用式（5）、（6）、（7）來計算材料的動態壓縮的力學行為。
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霍普金森桿的應用
霍普金森壓桿實驗主要用于研究材料在沖擊荷載下的應力-應變關系和破壞機理，包括：
巖石、混凝土、陶瓷材料試驗;
塑料、復合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗;
高聚物、炸藥、固體推動劑材料試驗等。
應用：采用霍普金森桿可獲得納米增強泡沫材料在不同沖擊速度下的吸能能力，如下圖所示。
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動態荷載下應力-應變關系
靜態荷載下，材料應力σ=應變ε·楊氏模量E。
而在動態荷載下，材料力學性能會與加載率（應變率）顯著相關。高幅值短持續時間脈沖荷載所引起的材料力學性質的應變率效應，對于抗動載的結構設計與分析是非常重要的。這些動載來自常規武器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍事和民事事件。
展開 技術研究 | 霍普金森桿在高分子復合材料動態力學性能中的應用
SHPB實驗原理圖
自1949年世以來，SHPB經過幾十年的發展，已經成為動態力學測量的主要設備，它具有結構簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優點，其所測量的應變率范圍也是人們所關心的一般工程材料應變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術主要應用在金屬及其合金材料上，這類材料拉壓特性基本對稱而且塑性變形能力較大，而復合材料由于其結構的多變性，其阻抗、延展性等與金屬相差較大，故此裝置仍需要不斷的發展。
動態壓縮試驗
一般認為復合材料是粘彈性材料，為了保證加載時材料內應力均勻性，可以在輸入桿的頭端粘貼銅片作為波形整形器，波形整形器的作用是延長入射波的上升沿，增加試樣有效的加載時間，保證試樣中的軸向應力均勻。一般來說，當試樣兩端面的軸向應力差小于5％時，就可以認為試樣中的軸向應力已達到均勻。
典型的沖擊壓縮應力脈沖信號
動態拉伸試驗
與動態壓縮試驗相比較，動態拉伸試驗比較復雜，需要對壓桿進行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應力-應變曲線。
普金森拉桿原理圖
動態剪切試驗
復合材料的動態剪切試驗一般是通過對試樣的合理設計，利用霍普金森桿壓桿實現剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實現對復合材料的剪切變形，得到復合材料的剪切應變率、應力-應變關系。
用于動態剪切測試的霍普金森桿
總結
利用霍普金森桿裝置可對各種復合材料的動態壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細的測試，依據測試結果分析復合材料的應變率行為。
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