冲击载荷下碳纳米管网状材料能量耗散机理与动力学行为研究

Aiming at the demand of lingt and high efficient buffering metamateriasl for soft-landing and crashworthiness of lunar lander in aerospace engineering, a series of researches about energy dissipation mechanism and impact response of carbon nanotube network are going to be implemented by methods of combination of micro and macro and also combination of theoretical analysis and computational modeling. Those researches include: structural characteristics and static behavior, energy dissipation, dynamic behavior and buffering properties under impact, physical prediction model from microstructure to macroscopic properties, and application in buffering design of lunar lander. The key problems to be solved contain: building of scaling law, attach-detach and friction in micro-nano scale, impact dynamic theories involving in large plastic deformation, and multiscale analysis strategy. The primary innovation points are as foll冲击ows: the first time to discuss impact dynamic theories involving microporous; the first time to quantificationally analyze the relationship between structure of carbon nanotube network and its energy dissipation; the first time to study its physical prediction model from microstructure to macroscopic properties and thus build the micro to macro bridge. Above all, this project will deepen the understanding of aspects of buffering and energy dissipation, promote the development of related theories, advance the application in engineering, and provide valuable references for design, prediction and optimization of novel nonporous buffering materials.

本项目面向航天工程中月球探测器软着陆对轻质高效缓冲超材料的需求，应用微观与宏观相结合、理论分析与数值模拟相结合的方法，围绕碳纳米管网状材料在冲击载荷下的能量耗散机理与动力学行为开展研究。研究内容包括：碳纳米管网状材料结构特性与准静态压缩行为、能量耗散机理、冲击动力学行为和缓冲性能、从微观结构到宏观性质的物理预测模型及在探测器中的应用探索。研究将解决该材料尺度率法则建立、微纳尺度接触/分离和摩擦、涉及大塑性变形的冲击动力学理论、多尺度分析策略等关键问题。主要创新点包括：首次探讨考虑微观多孔结构的冲击力学理论；首次对碳纳米管网状材料的结构与能量耗散关系进行定量分析；首次研究其微观-宏观的物理预测模型及应用探索，建立了微观与宏观的桥梁。本项目可加深对碳纳米管网状材料缓冲吸能方面的理解，促进相关理论的发展，推进其在工程中的应用，同时为新型纳米多孔缓冲材料的设计、预测、优化和应用提供有价值的参考。

本项目面向航天工程中月球探测器软着陆对轻质高效缓冲超材料的需求，应用微观与宏观相结合、理论分析与数值模拟相结合的方法，围绕碳纳米管网状材料在冲击载荷下的能量耗散机理、动力学行为及缓冲吸能特性开展研究，发现其具有远优于传统缓冲材料的缓冲特性。. 首先研究了碳纳米管网状材料的结构与准静态压缩力学特性，以及结构参数与力学特性之间的关系。在此基础上从碳纳米管网状材料各部分能量变化及形态变化的角度研究了冲击载荷作用下碳纳米管网状材料的能量耗散机理，冲击能量主要转换为材料的热能、角能、势能、键能的增加。在冲击载荷下，尽管单根碳纳米管的变形以弹性为主，但整体材料表现为较大塑性变形。. 研究了不同冲击能量下碳纳米管网状材料的冲击动力学特性，比较了相同冲击能量下低速高质量和高速低质量对冲击性能的影响。在此基础上分析了冲击载荷下碳纳米管网状材料的吸能效率，发现其在一定的冲击能量范围内，吸能效率可达到95%以上；超过此范围后，在冲击能量相同的情况下，高速低质量比低速高质量的工况可以获得更大的吸能效率。. 分析了不同密度对碳纳米管网状材料的冲击动力学特性的影响，发现冲击波的传播速度会随着密度的增加而增大，且大密度的碳纳米管网状材料具有更强的变形能力，可以承受更高的冲击能量，使得吸能效率保持在95%以上。而碳纳米管的长度对其力学特性影响很小，因此在吸能装置设计时主要根据所需的初始冲击速度和初始冲击质量，选择相匹配的密度。. 分别利用碳纳米管网状材料和月球探测器中常用的铝蜂窝材料作为载人月球探测器软着陆的缓冲吸能材料，保持着陆缓冲装置尺寸不变，选择相匹配的缓冲材料进行缓冲装置的设计。研究发现几乎在所有极限工况下，基于碳纳米管网状材料设计的着陆器均具有更好的软着陆性能，尤其是可降低着陆器承受的峰值过载，且可使整个缓冲装置的质量降低50%以上。