压剪联合冲击下聚合物临近界面的失效现象和机理研究

The failure near the contact interfaces of polymers under combined compression and shear impact is a new mode of adiabatic shear failure, which occurs only near the contact interface of polymers and forms an entire adiabatic shear layer. Its mechanism and evolution rules are unclear yet. By combining the experimental study under combined compression and shear impact loading, the micro-observation of the recovery specimens at different evolution stages and the numerical simulation, the present project will try to fully understand the physical mechanism of the failure layer formation, to disclose its evolution law and the micro-configuration features at different stages, and to establish the relations of the shear wave attenuation with the macro-loading conditions, the material properties and the micro and meso structural parameters. After all, people can take a step forward in understanding this phenomenon. The present project will combine the contact interface mechanics with the theory of adiabatic shear band, which can offer a new failure mechanism and criterion for the safe application of polymers and structures. Meanwhile, it can also provide new clues for the impact initiation of energetic polymers. The present investigation will have an academic significance for the further development of impact dynamics.

压剪联合冲击下聚合物临近接触界面的失效现象是一种新的绝热剪切失效模式，它只发生于聚合物的临近界面附近，并且形成整个绝热剪切层。目前对于其形成机理和演化规律尚不清楚。本项目试图通过压剪联合冲击实验，各阶段回收试样的显微分析以及数值模拟相结合，弄清该剪切失效层产生的物理机制，揭示其演化发展规律以及各阶段对应的细微观结构特征，建立剪切波衰减幅值与宏观加载参量、材料参数，以及细微观结构参量之间的关联，为人们认识这一现象向前跨进一步。本项目将接触界面力学和绝热剪切带理论交叉结合在一起，可望为聚合物材料和结构在动载下的安全应用提供一种新的失效机制和准则，同时为含能聚合物冲击起爆机理提供新的线索，这对于冲击动力学的深入发展具有很好的学术意义。

压剪联合冲击下聚合物临近接触界面的剪切失效现象是一种新的绝热剪切失效模式，其形成机理和演化规律尚不清楚。在国家基金委资助下，本项目通过4年努力，全面完成了预定研究内容和目标。主要进展有：1，对多种聚合物进行的气炮平板压剪冲击实验和微观观测表明，近界面剪切波衰减现象对于聚合物是普遍存在的，其物理机制是近界面产生的绝热剪切带。帽状试件实验揭示出压剪冲击下剪切带的萌生演化过程以及和宏观参数的关系。2，导出了一维应变下理想弹塑性材料的耦合塑性波解，在应力空间表明传入样品的剪应力幅值不能高于剪切强度，在速度空间不能高于导出的横向粒子速度的上限，该上限不是恒值，一定范围内随纵向速度的增加而上升，超出部分将不能传入样品内部，从而明确了剪切衰减的力学原理（强度原理）。由于原理的普适性，推测这一现象可能存在于更广泛的材料。3，建立了可描述温度和应变率效应的半晶态聚合物的粘弹-粘塑流变本构模型，以及高温下聚合物熔体本构模型，并推广到三维张量形式，并建立起可描述固-液转变的三维本构模型。4，对具有三线性（弹性段，平台段和强化段）的材料，在广义雨贡扭基础上导出了压剪复合加载下的耦合相变冲击波的理论预测和解，并得到独立数值模拟的验证。5，数值模拟结果表明材料性质和样品表面粗糙度是近界面产生绝热剪切带从而引起剪切波衰减的主要物理机制，得到的剪切带位置，宽度和温升与实验观测基本相符。.本项目基本弄清了压剪联合冲击下聚合物近界面的剪切失效的机理和演化规律，并发展了压剪耦合冲击波理论，可望为聚合物和其它材料和结构在动载下的安全应用提供一种新的失效机制和设计准则，同时为含能聚合物冲击起爆机理提供新的线索，这对于冲击动力学的深入发展具有很好的学术意义。