Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

纤维/金属细观混杂薄壁吸能圆管设计与耐撞性能测试

刘丽霞, 杨海洋, 张众, 祁俊峰, 雷红帅

刘丽霞, 杨海洋, 张众, 等. 纤维/金属细观混杂薄壁吸能圆管设计与耐撞性能测试[J]. 复合材料学报, 2025, 42(6): 3431-3441.
引用本文: 刘丽霞, 杨海洋, 张众, 等. 纤维/金属细观混杂薄壁吸能圆管设计与耐撞性能测试[J]. 复合材料学报, 2025, 42(6): 3431-3441.
LIU Lixia, YANG Haiyang, ZHANG Zhong, et al. Mesoscopic hybrid design and crashworthiness properties of thin-walled energy-absorbing tubes[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2025, 42(6): 3431-3441.
Citation: LIU Lixia, YANG Haiyang, ZHANG Zhong, et al. Mesoscopic hybrid design and crashworthiness properties of thin-walled energy-absorbing tubes[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2025, 42(6): 3431-3441.

纤维/金属细观混杂薄壁吸能圆管设计与耐撞性能测试

详细信息
    通讯作者:

    雷红帅,博士,教授,博士生导师,研究方向为新型轻质多功能结构设计、制备与性能表征 E-mail: lei123 shuai@126.com

  • 中图分类号: TB332

Mesoscopic hybrid design and crashworthiness properties of thin-walled energy-absorbing tubes

  • 摘要:

    随着交通事故和能源消耗等问题的日益突显,轻质薄壁吸能结构成为碰撞防护领域重要的研究方向。本研究考虑传统金属材料及复合材料的吸能特点,提出了一种纤维/金属交错铺层的细观混杂复合材料薄壁圆管设计方法。通过非均匀缠绕铺设和一体化成型方法,制备了混杂圆管试样。通过轴向压缩和落锤冲击实验,测试了结构准静态和动态力学响应。采用多种耐撞性能指标量化分析了力学响应曲线,并与金属试样进行了对比。结果表明:纤维/金属细观混杂设计可有效提高薄壁吸能结构的比吸能,降低吸能平台的载荷波动。准静态加载下,碳纤/铝混杂圆管比吸能提升了约54.3%,吸能效率增加至0.8。动态冲击下,玻纤/铝混杂圆管保持了准静态失效模式,比吸能提升了约24.7%,吸能效率保持在0.44。本研究验证了纤维/金属细观混杂铺层在碰撞防护领域的应用潜力,为轻质薄壁吸能结构设计提供了新思路与参考实例。

     

    Abstract:

    With the increasing issues of traffic accidents and energy security, lightweight thin-walled energy-absorbing structures have emerged as a crucial subject in the field of collision protection. In this research, a novel design for thin-walled mesoscopic hybrid tubes with composite/metal interleaved layers was proposed, considering the mechanical characteristics of metal and composite materials. A series of hybrid samples were fabricated through a non-uniform winding method. The quasi-static and dynamic mechanical responses were tested through axial compression and drop-weight impact experiments. Various crashworthiness indices were utilized to quantitatively analyze the mechanical performances. The results demonstrate that the composite/metal mesoscopic hybrid design effectively enhances the specific energy absorption and reduces the load fluctuation. In the quasi-static loading state, the carbon fiber/aluminum hybrid tubes show an increase in specific energy absorption by approximately 54.3% compared with the aluminum and an energy efficiency improvement to 0.8. In the dynamic impact state, the glass fiber/aluminum hybrid tubes maintain the same failure modes with quasi-static. The specific energy absorption increases by approximately 24.7% and the energy efficiency maintains at 0.44. This research validates the application potential of composite/metal mesoscopic hybrid design in the field of collision protection, providing new insights and reference examples for the lightweight thin-walled energy-absorbing structures.

     

  • 可再生能源的间隙性和波动性为能量的安全、高效利用带来较大挑战,已经成为经济可持续发展面临的重要议题[1]。钒液流电池(Vanadium liquid flow battery,VRB)可将电能高效储存,具有本征安全、响应速度快和运行寿命长等特点,相对于其他类型储能技术,钒电池技术在大规模、长时储能领域显示出优越的发展前景[1-3]

    作为钒电池的关键部件,质子交换膜(Proton exchange membrane,PEM)需具有如下特性[4-5]:(1)高离子选择性,即高质子传导率和低钒离子渗透率;(2)高拉伸强度和穿刺强度;(3)良好的理化稳定性;(4)较好的经济性。目前,基于全氟磺酸树脂的PEM在VRB中的应用最为广泛,如杜邦公司Nafion系列膜,但其溶胀性和离子选择性等与VRB的严格要求仍存在差距,优化膜的离子渗透性是本领域的研究热点[6-8]。实验表明,向膜中引入具有适宜孔道结构和表面性质的功能材料是改善其离子选择性的有效手段[5],如金属-有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)材料[9-11]

    在MOFs材料中,UIO-66 (Zr-MOF)由六核氧化锆簇作为二级构建单元和1, 4-苯二甲酸接头构建[12],具有刚性结构和较强的耐酸性,同时拥有介于水和离子(<0.3 nm)和钒离子(>0.6 nm)的孔道尺寸[13]。UIO-66主要通过水热合成法制备,但在合成过程中,烘箱加热较难提供均匀的受热环境,存在合成时间长、材料结构均一性差等问题[14]。微波加热可促进反应物中分子或离子直接耦合,实现能量的快速传导,具有反应速率快和产率高等优点,已被广泛用于多种纳米材料的合成[14-16]。Zhai等[6]通过在磺化聚醚醚酮(SPEEK)中掺入15wt% 的传统水热法UIO-66-NH2来改善复合膜的质子传导率,在120 mA·cm−2电流密度下,电池的能量效率(Energy efficiency,EE)为77.3%。Lu等[17]制备高质子选择性的聚多巴胺(PDA)@MOF-808,并将其掺入SPEEK中以优化复合膜的性能,在120 mA·cm−2电流密度下,该膜的EE为83.9%。贾儒等[13]和Wan等[14]也分别对UIO-66的合成和应用展开研究,均采用耗时较长的传统水热法。

    鉴于此,本文采用不同加热方式制备氨基官能化的UIO-66 (UIO-66-NH2),验证微波加热在UIO-66-NH2材料的合成效率、结构优化方面的优势,并将其与Nafion 掺杂,通过溶液浇筑法制备复合膜,对膜的理化性质和电池性能进行表征,探讨新型膜材料对钒电池性能的影响。

    氯化锆(ZrCl4,98%)、2-氨基对苯二甲酸(BDC-NH2,99%),上海麦克林生化科技有限公司;Nafion溶液(固含量5%),美国杜邦公司;无水乙醇,沈阳试剂二厂;N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、MgSO4、硫酸氧钒(VOSO4·5H2O)、浓硫酸(98%)、乙酸(99%),国药集团化学试剂有限公司。

    UIO-66-NH2合成原料摩尔比:ZrCl4∶BDC-NH2 = 1∶1。首先,将二者分别溶于20 mL DMF,再在配体溶液中加入2.3 mL乙酸,超声波辅助下混合20 min后得均匀的合成液。随后,将适量上述合成液倒入微波合成罐中,在不同温度下合成15 min,离心后获得棕黄色粉末。将上述粉末分散在无水乙醇中,多次更新乙醇下保持48 h,完成产物清洗。最后,在60℃下干燥12 h,获得产物UIO-66-NH2,记为M-U66-NH2。作为对比,采用同样的合成液,利用传统烘箱加热,在120℃条件下反应24 h制备UIO-66-NH2,经过相同的清洗、干燥处理,获得产物UIO-66-NH2,记为T-U66-NH2。具体操作流程和样品编号见图1表1

    以溶液浇筑法制备复合膜[18]:称取一定质量的M-U66-NH2,在超声辅助下分散在Nafion树脂溶液(固含量5%)中,在450 r/min下搅拌10 h后获得铸膜液。将适量铸膜液倒入带有凹槽的玻璃板上,在140℃真空烘箱中处理4 h,除去溶剂后得到复合膜,在恒温、恒湿条件下保存、备用。将掺杂M-U66-NH2的复合膜记作M/N-XX=1、2、3、6和9,X表示Nafion树脂中M-U66-NH2的质量分数。将掺杂T-U66-NH2的复合膜记作T/N-XX=3。同时,采用相似工艺制备无M-U66-NH2掺杂的纯树脂膜,记作P-N。具体操作流程和样品编号见图1表1

    图  1  微波合成氨基官能化的UIO-66 (UIO-66-NH2)及Nafion复合膜的制备过程示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of the preparation process of UIO-66-NH2 and Nafion composite membrane
    M-U66-NH2—UIO-66-NH2 prepared by microwave assisted method; UIO-66-NH2—Zr-MOF when the preparation method does not need to be distinguished; BDC-NH2—2-aminoterephthalic Acid; DMF—N, N-dimethylformamide; HAc—Acetic acid
    表  1  复合质子交换膜的命名
    Table  1.  Naming of composite proton exchange membranes
    Sample name Instruction
    M-U66-NH2 "M" represents microwave heating; "U66" refers to the metal-organic framework material UIO-66; Overall, it indicates the UIO-66-NH2 sample prepared by microwave heating.
    T-U66-NH2 "T" represents traditional oven heating; Overall, it indicates the UIO-66-NH2 sample prepared by oven heating.
    M/N-X "M/N" represents the composite membrane with M-U66-NH2 and Nafion resin; "X" represents the percentage content of M-U66-NH2 in the membrane.
    T/N-X "T/N" represents the composite membrane with T-U66-NH2 and Nafion resin; "X" represents the percentage content of T-U66-NH2 added to the membrane.
    P-N A pure, unmodified Nafion membrane
    N212 Commercial Nafion 212 membrane from DuPont (USA)
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    采用X射线衍射仪(XRD,Bruker D8)和傅里叶红外光谱(FTIR,Nicolet 380,扫描范围:4000~750 cm−1)评价粉末结构;扫描电子显微镜(SEM,SU8010,Hitachi)和扫描电子能谱(EDS)表征样品的微观形貌和元素分布;万能拉伸试验机(Instron 1186,加载速度为10 mm/min)检测膜的力学性能。

    膜面积溶胀率的计算公式如下:

    SR = (SwetSdry)Sdry×100% (1)

    式中:Swet为湿膜面积(cm2);Sdry为干膜面积(cm2)。

    吸水率的计算公式如下:

    WU = (WwetWdry)Wdry×100% (2)

    式中:Wwet为湿膜质量(g);Wdry为干膜质量(g)。

    应用紫外分光光度计(TU-1810,Beijing Purcell General Instrument Co., Ltd.)测试膜的VO2+渗透性[7],取样间隔12 h,钒离子渗透率计算公式如下:

    VBd(CB(t))dt=APL(CACB(t)) (3)

    式中:CA为VOSO4溶液侧VO2+浓度;CB(t)t时刻MgSO4溶液侧VO2+浓度;VB为MgSO4溶液体积;P为钒离子渗透率;L为膜厚度;A为膜的有效面积(1.77 cm2)。

    应用电化学工作站(CHI660E,上海辰华)测试膜的离子电导率(σ),计算公式如下:

    σ=DRb (4)

    式中:Rb为膜的面电阻;D为膜厚度。

    采用新威电池测试系统表征VRB的电池性能,电流密度范围为100~200 mA·cm−2。循环测试的电流密度为150 mA·cm−2,循环200次。测试膜的放电容量衰减率,计算公式如下:

    =Qdis200Qdis1×100% (5)

    式中:Qdis200为循环200次后的放电容量;Qdis1为第一次循环前放电容量。

    = (6)

    为了优化UIO-66-NH2的合成参数,考察微波合成温度对材料结构的影响。如图2(a)所示,合成时间为15 min,当温度较低时(60℃),晶体结构较规则,颗粒尺寸约为1 μm,但产率仅为60%。随着合成温度的升高,晶体结构特征逐渐增强。如图2(c)所示,100℃下所合成样品具有明显的近八面体的晶体形貌[18]。当温度升至120℃时,晶体结构更加完整,此时粒径约为200 nm (图2(d)),分散性较好,且产率接近90%。由图2(e)可见,通过普通水热法也可以制备出形貌规则的UIO-66-NH2材料,只是所需的合成时间更长[19]

    图  2  不同温度下微波加热15 min ((a)~(d))、烘箱加热24 h (e)制备UIO-66-NH2的SEM图像及微波加热15 min样品的XRD图谱(f)
    Figure  2.  SEM images of UIO-66-NH2 by microwave heating for 15 min ((a)-(d)), oven heating for 24 h (e) and XRD patterns of UIO-66-NH2 by microwave heating for 15 min (f)

    XRD图谱反映样品的结晶度,如图2(f)所示,样品在2θ=7.40°和8.66°处出现了较明显的衍射峰,对应UIO-66-NH2的(111)和(002)晶面,在2θ=26.22°和31.86°等处出现强度略低的衍射峰,以上峰位置和强度与文献报道结果基本一致[20],证明本实验成功合成出UIO-66-NH2晶体。而且,随着合成温度的升高,晶体的衍射峰强度逐渐增加,即使在60℃下仍能合成出晶体。主要原因在于微波作用下反应釜内晶体前驱体溶液能够快速、均匀受热,微波的折射和反射诱导晶体快速成核、生长[21],合成效率得到显著提高。

    为了更清晰地观察复合膜的微观形貌以及膜厚度,本实验对膜样品进行SEM表征。如图3(a)~3(c)所示,不同膜样品均呈现出较均匀、致密的形貌特征,M-U66-NH2的掺杂量对膜形貌的影响较小。图3(d)~3(f)中,不同膜的厚度相近,约为40 μm。P-N膜的截面更加平滑,随着M-U66-NH2掺杂量的增加,复合膜截面的粗糙度逐渐增加,但晶体的掺入未明显改变复合膜的结构。图3(g)~3(j)清晰地展现出M-U66-NH2在M/N-3膜表面的元素分布情况,与M-U66-NH2相关的Zr、N元素及与Nafion树脂相关的F、S元素在膜表面均匀分布,说明复合膜中M-U66-NH2的分散性良好,未发生明显的团聚现象,这为功能材料充分发挥其表面性质和孔道尺寸等优势提供了条件。

    图  3  P-N (a)、M/N-1 (b)、M/N-3 (c) 膜的表面SEM图像;P-N (d)、M/N-1 (e)、M/N-3 (f)膜的截面SEM图像;M/N-3膜的表面EDS元素分布图((g) N;(h) Zr;(i) F;(j) S)
    Figure  3.  Surface SEM images of P-N (a), M/N-1 (b) and M/N-3 (c); Cross-section SEM images of P-N (d), M/N-1 (e) and M/N-3 (f); EDS element images of M/N-3 ((g) N; (h) Zr; (i) F; (j) S)

    为了探究高M-U66-NH2含量对复合膜结构的影响,本实验制备了M/N-6和M/N-9膜。如图4(a)所示,当掺杂量为6wt%时,复合膜截面出现较多尺寸约为2~3 μm的孔洞,这是由于较高掺杂量下,强相互作用促使M-U66-NH2粒子团聚,导致膜内出现缺陷。当掺杂量增至9wt%时,复合膜截面呈现出非对称结构,膜层中可以观察到大尺寸的M-U66-NH2团聚体。产生该现象的原因在于成膜过程中随着溶剂的缓慢挥发,较大尺寸的团聚体会逐渐下沉,并在玻璃板侧富集,形成高M-U66-NH2含量的多孔、疏松区域,此结构不利于UIO-66-NH2功能的充分发挥。同时,产生的缺陷会加速钒离子的跨膜渗透,降低质子交换膜的离子选择性和力学性能[14]

    图  4  M/N-6 ((a), (c))和M/N-9 ((b), (d))膜的截面SEM图像
    Figure  4.  Cross-sectional SEM images of M/N-6 ((a), (c)) and M/N-9 ((b), (d))

    通过FTIR分析M-U66-NH2、P-N、M/N-3膜样品的结构特征,如图5所示。M-U66-NH2345833561436 cm−1处具有明显的特征峰,分别对应N—H的对称和非对称伸缩振动及N—H的剪切伸缩振动,与文献报道一致[22]。P-N膜在12071151 cm−1处为C—F伸缩振动峰,1053 cm−1处为O=S=O振动峰及980 cm−1处为C—F特征峰,此结果与文献中Nafion树脂的特征峰一致[18]。M/N-3膜的FTIR图谱可以近似为M-U66-NH2和P-N图谱的叠加,表明UIO-66-NH2材料在膜中稳定存在,制膜过程并未破坏其微观结构。

    图  5  M-U66-NH2、P-N膜和M/N-3膜的红外图谱
    Figure  5.  FTIR spectra of M-U66-NH2, P-N and M/N-3 membranes

    吸水率和溶胀率是质子交换膜的重要性能指标。如图6(a)所示,基于M-U66-NH2的亲水性和丰富孔道,复合膜的吸水率和溶胀率均随掺入量的提高而增大[23]。同时,M-U66-NH2的刚性结构赋予膜较低的溶胀率(<4%)[24]。膜的吸水率和溶胀率直接影响其离子传导性能,由图6(b)可见,随着UIO-66-NH2掺杂量的提高,膜的质子传导率逐渐增大,而面电阻逐渐变小,如M/N-3的质子传导率达到122.18 mS·cm−1,此改善效果得益于膜中—NH2和—SO3H形成的酸/碱对及存在的氢键网络[25]。当掺杂量超过6wt%时,M-U66-NH2在膜内团聚而缺陷产生,膜的质子传导率较低。比较可见,M/N-3膜的吸水率、溶胀率和质子传导率均高于T/N-3膜,这与UIO-66-NH2的尺寸均一性和完整结构相关。

    图  6  复合膜的吸水率和溶胀率(a)、面电阻和质子传导率(b)、力学性能(c)和应力-应变曲线(d)
    Figure  6.  Water uptake and swelling ratio (a), area resistance and conductivity (b), mechanical properties (c) and stress-strain curves of different membranes (d)
    N212—Nafion 212 commercial membrane, DuPont, USA

    通过拉伸测试评价膜的机械强度。如图6(c)图6(d)所示,M-U66-NH2掺杂量低于3wt%时,复合膜的拉伸强度均高于P-N膜,如M/N-3膜的强度达到27 MPa,也高于T/N-3膜(22.3 MPa)。主要原因是UIO-66-NH2具有刚性结构,且—NH2基团与Nafion的—SO3H基团可形成共轭酸碱对,其强相互作用促使Nafion的分子链与UIO-66-NH2发生物理交联,从而提高了复合膜的力学性能[26]。同时,尺寸更小、更规则的M-U66-NH2与Nafion树脂间的分散更充分、交联程度更高,表现出更优的强化作用[1]。当UIO-66-NH2掺杂量超过6wt%时,膜中的孔洞缺陷导致其机械强度显著降低。

    本实验选取的UIO-66-NH2的有效孔径为0.52 nm,介于水分子(<0.3 nm)和钒离子(>0.6 nm)之间[14],可通过筛分效应提高膜的离子选择性。如图7(a)所示,M/N-X系列复合膜的阻钒性更好,如M/N-3膜的钒离子渗透浓度最低,仅为P-N膜的23%左右,而M/N-9膜的阻钒性能最差。当测试时间大于48 h,T/N-3膜的表现略差于M/N-3膜,主要原因是传统水热法所制备UIO-66-NH2的晶体结构不够完善。

    图  7  复合膜的钒离子渗透浓度(a)、钒离子渗透率和离子选择性(b)
    Figure  7.  Vanadium ion permeation concentration (a), vanadium ion permeability and ion selectivity (b) of composite membranes

    高钒离子渗透性不利于钒电池长期稳定运行,如图7(b)所示,优化条件下所制备的M/N-3膜的钒离子渗透率最低,仅为8.3×10−8 cm2·min−1,且该膜的离子选择性达到15.6×105 S·min·cm−3,约为P-N膜的30倍。当UIO-66-NH2掺入量过低或过高时,膜的离子选择性均较低。另外,与M/N-3膜相比,掺杂T-U66-NH2的复合膜具有接近的离子选择性,这说明两种方法所制备UIO-66-NH2对复合膜离子选择性的影响较小。有研究结果指出增加厚度会提高膜的钒离子渗透率,进而降低膜的离子选择性[7, 27-29]。因此,本实验在充分参考文献数据的基础上,为了平衡氢离子、钒离子的渗透情况,确定膜厚度为40 μm左右。

    分别将P-N、M/N-X和T/N-3膜组装成模拟电池进行测试,评价不同电池的电压效率(Voltage efficiency,VE)、库伦效率(Coulombic efficiency,CE)和能量效率(EE)。由图8(a)可知,在相同电流密度下,随着M-U66-NH2掺杂量的增加,电池的CE逐渐增大,在100 mA·cm−2电流密度下,M/N-3膜电池的库伦效率达到97.66%,高于P-N膜(95.8%)。因膜内粒子团聚造成了结构缺陷,M/N-6和M/N-9膜电池的CE低于M/N-3膜。图8(b)显示M/N-X复合膜的VE高于P-N膜,且随着电流密度的增加,复合膜所装配电池的VE逐渐减小,该趋势与文献报道相似[5]。能量效率是电池性能的综合体现,由图8(c)可见,在电流密度为100~200 mA·cm−2的范围内,M/N-3膜的电池能量效率均高于P-N膜和N212膜(美国杜邦公司Nafion212商品膜),最高达到83.8%,说明M-U66-NH2的掺入有效提升了Nafion膜的电池性能。图8(d)~8(f)更清晰地显示了P-N膜、M/N-3膜和T/N-3膜的性能。在测试电流密度范围内,M/N-3膜的库伦效率与T/N-3膜相当,而其电压效率和能量效率均高于其他两种类型膜样品。可见,适宜比例M-U66-NH2的引入有利于改善膜性能,进而提升钒电池的充放电效率。

    图  8  不同膜所装配钒液流电池(VRBs)的库伦效率(CE) ((a), (d))、电压效率(VE) ((b), (e))和能量效率(EE) ((c), (f))
    Figure  8.  Coulombic efficiency (CE) ((a), (d)), voltage efficiency (VE) ((b), (e)) and energy efficiency (EE) ((c), (f)) of vanadium liquid flow battery (VRBs) assembled with different membranes

    在150 mA·cm−2电流密度下,对不同膜所装配电池充放电200次,比较其循环稳定性。如图9(a)所示,在200次的充放电测试过程中,M/N-3和T/N-3膜的电池CE、VE和EE相对较稳定,无明显降低,说明UIO-66-NH2的引入有效阻碍了钒离子在膜内的渗透,保证了质子在膜中快速、稳定传输。此外,在测试周期内,M/N-3和T/N-3膜的能量效率分别稳定在77.8%和76.5%,无明显衰减,说明复合膜的理化稳定性可以满足钒电池工作环境的需求。但是,测试周期内不同电池的容量衰减情况差异较大。由图9(b)可见,P-N膜的电池容量衰减了81%,而经过同样测试后,掺杂UIO-66-NH2膜的电池容量衰减率仅为45%左右,其中基于M-U66-NH2的复合膜显示出更低的容量衰减率,单次衰减率仅为0.19%,较T/N-3膜(0.24%)提高0.05%,较P-N膜(0.41%)提高0.22%,同时,图9(c)证明了掺杂M-U66-NH2的确会优化VRBs所用质子交换膜的电池性能。

    图  9  150 mA·cm−2电流密度下复合膜所装配电池的循环效率(a)、容量保持率(b)以及与报道性能的对比(c)
    Figure  9.  Cycle efficiency (a) and capacity retention (b) of composite membranes at 150 mA·cm−2, and comparisons with reported performance (c)
    PBI—Polybenzimidazole; PS—Polystyrene; GO—Graphene oxide; SPEEK—Sulfonated poly(ether ether ketone); 2D-ZMs—Two-dimensional zeolite

    (1)与传统水热法相比,微波加热合成UIO-66-NH2的效率更高,耗时仅为前者的1/96,且所制备晶体的结构更完整、更均匀,粒径约为200 nm,在Nafion溶液中分散性良好。

    (2) UIO-66-NH2可改善复合膜的理化稳定性,且可提高膜的质子传导性和离子选择性,优化条件下复合膜的质子传导率可达122.18 mS·cm−1,离子选择性可达15.6×105 S·min·cm−3

    (3)优化条件下复合膜体现出良好的电池性能。在150 mA·cm−2电流密度下,电池的能量效率大于77%,200次循环周期内单次容量衰减率为0.19%,较纯树脂膜提高0.22%。

    (4)基于微波法的UIO-66-NH2与Nafion形成的复合膜具有良好的理化性质和电池性能,为全钒液流电池用高性能质子交换膜的设计和制备提供了新的策略,具有良好的发展前景。

  • 图  1   薄壁吸能结构在各领域中的应用

    Figure  1.   Application of thin-walled energy-absorbing structures in various fields

    图  2   纤维/铝合金细观混杂圆管的一体成型制备

    Figure  2.   The integrated molding method of fiber/aluminum alloy mesoscopic hybrid tubes

    图  3   不同内径尺寸的均质材料和纤维/铝细观混杂圆管试样

    Figure  3.   Homogeneous and fiber/aluminmum alloy mesos mesoscopic hybrid tubes with different diameters

    图  4   准静态与动态冲击实验加载装置

    Figure  4.   Quasi-static and dynamic impact test loading devices

    图  5   典型载荷-位移曲线与耐撞性能指标对应关系

    Figure  5.   The correspondence between typical load-displacement curve and crashworthiness indices

    图  6   铝合金薄壁圆管的准静态压缩响应曲线

    Figure  6.   Quasi-state compression curves of aluminum tubes

    图  7   碳纤玻纤复合材料薄壁圆管的准静态压缩响应曲线

    Figure  7.   Quasi-state compression curves of carbon and glass fiber composite tubes

    图  8   复合材料薄壁圆管试样准静态压缩失效模式

    Figure  8.   The failure modes of composite tubes under quasi-state compression

    图  9   纤维/铝细观混杂薄壁圆管的准静态压缩响应曲线:(a)碳纤/铝混杂;(b)玻纤/铝混杂

    Figure  9.   Quasi-state compression curves of composite/aluminum hybrid tubes: (a) carbon fiber /aluminium hybrid; (b) glass fiber /aluminium hybrid

    图  10   纤维/铝混杂薄壁圆管的准静态压缩失效模式:(a)碳纤/铝混杂;(b)玻纤/铝混杂;(c)电子显微镜观察损伤形貌;(d)摄像机观察压缩失稳现象

    Figure  10.   Quasi-static compression failure mode of composite/aluminum hybrid tubes: (a) carbon fiber /aluminium hybrid; (b) glass fiber /aluminium hybrid; (c) SEM failure morphology; (d) structural buckling performance

    图  11   薄壁圆管试样的落锤冲击响应:(a)铝合金圆管;(b)碳纤复合材料圆管;(c)玻纤复合材料圆管;(d)碳纤/铝混杂圆管;(e)玻纤/铝混杂圆管

    Figure  11.   Impact response of thin-walled tubes: (a) aluminium alloy; (b) carbon fiber reinforced composite; (c) glass fiber reinforced composite; (d) carbon fiber /aluminium hybrid; (e) glass fiber /aluminium hybrid

    图  12   冲击载荷下各类薄壁圆管试样冲击载荷失效模式

    Figure  12.   Failure modes of various thin-walled tubes under impact load

    表  1   均质薄壁圆管与纤维/铝细观混杂结构的试样结构参数

    Table  1   Specific structural parameters of homogeneous and mesoscopic hybrid tubes

    Type Specimen number Height/
    mm
    Diameter/
    mm
    Thickness/
    mm
    Mass/
    g
    Density/
    (g·cm−3)
    Ply stacking sequence
    6061-Al tubes Al-D41 80 41 2.00 55.93 2.56 - -
    Al-D56 80 56 2.00 74.33
    Al-D76 80 76 2.00 99.77
    Homogeneous tubes CF-D40 80 40 1.96 27.60 1.35 [CF]8 ■■■■■■■■
    CF-D60 80 60 1.90 40.52
    CF-D80 80 80 1.90 52.34
    GF-D40 80 40 2.15 38.44 1.68 [GF]8 □□□□□□□□
    GF-D60 80 60 2.20 57.27
    GF-D80 80 80 2.20 77.24
    Mesoscopic hybrid tubes CAC-D40 80 40 1.96 29.32 1.46 [CF2/Al/CF]S ■■Α■■Α■■
    CAC-D60 80 60 1.90 43.84
    CAC-D80 80 80 1.90 58.20
    GAG-D40 80 40 1.93 37.65 1.88 [GF2/Al/GF]S □□Α□□Α□□
    GAG-D60 80 60 1.92 56.25
    GAG-D80 80 80 1.92 74.80
    Notes: ■ represents carbon fiber composite; □ represents glass fiber composite; “A” represents aluminmum.
    下载: 导出CSV

    表  2   薄壁圆管试样的各类耐撞性指标汇总

    Table  2   Summary of crashworthiness parameters for thin-walled tubes

    Type Specimen number SEA/(kJ∙kg−1) PCF/kN MCF/kN CFE
    Al alloy Al-D41 35.58 58.35 33.48 0.57
    Al-D56 32.31 77.71 40.78 0.53
    Al-D76 28.48 108.34 48.36 0.47
    CFRP CF-D40 58.11 48.74 27.02 0.56
    CF-D60 55.85 61.23 38.54 0.64
    CF-D80 54.11 88.23 48.61 0.56
    CF/Al hybrid CAC-D40 54.91 33.69 26.87 0.80
    CAC-D60 48.81 48.29 35.64 0.74
    CAC-D80 41.62 70.27 40.24 0.57
    GFRP GF-D40 50.72 83.84 33.49 0.40
    GF-D60 50.45 125.82 50.17 0.40
    GF-D80 46.73 176.31 61.93 0.35
    GF/Al hybrid GAG-D40 43.03 50.38 27.00 0.54
    GAG-D60 18.49 74.31 17.35 0.23
    GAG-D80 12.30 79.91 15.38 0.20
    Notes: SEA represents the specific energy absorption; PCF represents the peak crushing force; MCF represents the mean crushing force; CFE represents crushing force efficiency.
    下载: 导出CSV

    表  3   动态冲击下薄壁圆管试样的各类耐撞性指标汇总

    Table  3   Summary of crashworthiness parameters for thin-walled tubes under dynamic impact

    Type Specimen number SEA/(kJ∙kg−1) PCF/kN MCF/kN CFE
    Al alloy Al-D41 36.13 83.46 42.27 0.51
    Al-D56 34.39 89.68 43.31 0.48
    Al-D76 31.55 125.09 48.03 0.38
    CFRP CF-D40 46.11 62.94 21.44 0.35
    CF-D60 46.20 79.07 31.88 0.42
    CF-D80 40.18 105.22 36.10 0.35
    CF/Al hybrid CAC-D40 40.24 45.96 16.69 0.43
    CAC-D60 39.20 73.21 28.62 0.40
    CAC-D80 36.78 106.11 35.56 0.34
    GFRP GF-D40 49.10 76.03 32.42 0.43
    GF-D60 43.25 81.54 43.01 0.53
    GF-D80 43.19 116.76 57.24 0.50
    GF/Al hybrid GAG-D40 45.05 62.99 28.27 0.44
    GAG-D60 17.75 83.03 16.66 0.32
    GAG-D80 13.81 94.23 17.26 0.23
    Notes: SEA represents the specific energy absorption; PCF represents the peak crushing force; MCF represents the mean crushing force; CFE represents crushing force efficiency.
    下载: 导出CSV
  • [1] 许中志. 中国城市公共交通特点现状及发展趋势[J]. 人民公交, 2022, 154(10) : 10-19.

    XU Z Characteristics and development trend of urban public transport in China[J]. Public Transport, 2022, 154(10) : 10-19 (in Chinese).

    [2] 余同希, 卢国兴. 材料与结构的能量吸收 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.

    YU T, LU G. Energy absorption of materials and structures [M]. Beijing: Chemical Industry Publisher, 2006 (in Chinese).

    [3]

    LIU Q, SHEN H, WU Y, et al. Crash responses under multiple impacts and residual properties of CFRP and aluminum tubes[J]. Composite Structures, 2018, 194: 87-103. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.04.001

    [4]

    YANG X, MA J, WEN D, et al. Crashworthy design and energy absorption mechanisms for helicopter structures: A systematic literature review[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2020, 114: 100618. DOI: 10.1016/j.paerosci.2020.100618

    [5]

    ZHOU J, JIA S, QIAN J, et al. Improving the buffer energy absorption characteristics of movable lander-numerical and experimental studies[J]. Materials, 2020, 13(15): 3340. DOI: 10.3390/ma13153340

    [6]

    GOEL M D, MATSAGAR V A. Blast-resistant design of structures[J]. Practice Periodical on Structural Design Construction, 2014, 19(2): 04014007. DOI: 10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000188

    [7]

    FANG H, MAO Y, LIU W, et al. Manufacturing and evaluation of Large-scale Composite Bumper System for bridge pier protection against ship collision[J]. Composite Structures, 2016, 158: 187-198. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.09.013

    [8] 吕睿, 任毅如. C型CFRP薄壁结构轴向吸能特性及其触发机制[J]. 复合材料学报, 2023, 40(10): 5948-5957.

    LV R, REN Y. Axial energy absorption characteristics and trigger mechanism of C-channel CFRP thin-walled structures[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(10): 5948-5957 (in Chinese).

    [9] 朱国华, 竺森森, 胡珀, 等. CFRP薄壁结构多尺度建模及耐撞性分析[J]. 复合材料学报, 2023, 40(6): 3626-3639.

    ZHU G, ZHU S, HU P, et al. Multi-scale modeling and crashworthiness analysis of CFRP thin-walled structures[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(6): 3626-3639 (in Chinese).

    [10]

    YAO R, PANG T, ZHANG B, et al. On the crashworthiness of thin-walled multi-cell structures and materials: State of the art and prospects[J]. Thin-Walled Structures, 2023, 189: 110734. DOI: 10.1016/j.tws.2023.110734

    [11]

    YANG H, REN Y, YAN L. Multi-cell designs for improving crashworthiness of metal tube under the axial crushing load[J]. International Journal of Crashworthiness, 2022, 28(3): 365-377.

    [12]

    GUILLOW S R, LU G, GRZEBIETA R H. Quasi-static axial compression of thin-walled circular aluminium tubes[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2001, 43(9): 2103-2123. DOI: 10.1016/S0020-7403(01)00031-5

    [13]

    ALEXANDER J M. An approximate analysis of the collapse of thin cylindrical shells under axial loading[J]. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1960, (1): 10-15.

    [14]

    ABRAMOWICZ W, JONES N. Dynamic axial crushing of circular tubes[J]. International Journal of Impact Engineering, 1984, 2(3): 263-281. DOI: 10.1016/0734-743X(84)90010-1

    [15]

    SINGACE A, ELSOBKY H, STRUCTURES. Further experimental investigation on the eccentricity factor in the progressive crushing of tubes[J]. International journal of solids structures, 1996, 33(24): 3517-3538. DOI: 10.1016/0020-7683(95)00195-6

    [16]

    SINGACE A A. Axial crushing analysis of tubes deforming in the multi-lobe mode[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1999, 41(7): 865-890. DOI: 10.1016/S0020-7403(98)00052-6

    [17]

    HANSSEN A C, LANGSETH M, HOPPERSTAD O S. Static and dynamic crushing of circular aluminium extrusions with aluminium foam filler[J]. International Journal of Impact Engineering, 2000, 24(5): 475-507. DOI: 10.1016/S0734-743X(99)00170-0

    [18]

    RICCIARDI M R, PAPA I, LOPRESTO V, et al. Experimental characterization of the crashworthiness of carbon fiber reinforced epoxy composites[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2024, : 101003.

    [19] 赵云, 杨波, 陶子伟, 等. 纤维增强树脂基防弹复合材料吸能机制及损伤模式研究进展[J]. 复合材料学报, 2024, 42: 1-23.

    ZHAO Y, YANG B, TAO Z, et al. Research progress on energy absorption mechanism and damage mode of fiber reinforced resin based bulletproof composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 42 1-23 (in Chinese).

    [20]

    HULL D. A unified approach to progressive crushing of fibre-reinforced composite tubes[J]. Composites Science and Technology, 1991, 40(4): 377-421. DOI: 10.1016/0266-3538(91)90031-J

    [21]

    FARLEY G L, JONES R M. Crushing characteristics of composite tubes with" near-elliptical" cross sections[J]. Journal of Composite Materials, 1992, 26(12): 1741-1751. DOI: 10.1177/002199839202601203

    [22]

    MAMALIS A G, MANOLAKOS D E, DEMOSTHENOUS G A, et al. Analysis of failure mechanisms observed in axial collapse of thin-walled circular fibreglass composite tubes[J]. Thin-Walled Structures, 1996, 24(4): 335-352. DOI: 10.1016/0263-8231(95)00042-9

    [23]

    MAMALIS A G, MANOLAKOS D E, DEMOSTHENOUS G A, et al. Analytical modelling of the static and dynamic axial collapse of thin-walled fibreglass composite conical shells[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997, 19(5-6): 477-492. DOI: 10.1016/S0734-743X(97)00007-9

    [24]

    GARNER D M, ADAMS D O. Test methods for composites crashworthiness: A review[J]. Journal of Advanced Materials, 2008, 40(4): 5-26.

    [25]

    MENG J, ZHENG H, WEI Y, et al. Leakage performance of CFRP laminate under cryogenic temperature: Experimental and simulation study[J]. Composites Science and Technology, 2022, 226.

    [26]

    ABDULLAH N A Z, SANI M S M, SALWANI M S, et al. A review on crashworthiness studies of crash box structure[J]. Thin-Walled Structures, 2020, 153: 106795. DOI: 10.1016/j.tws.2020.106795

    [27]

    HEN I, SAKOV A, KAFKAFI N, et al. The dynamics of spatial behavior: how can robust smoothing techniques help?[J]. J Neurosci Methods, 2004, 133(1-2): 161-172. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2003.10.013

  • 其他相关附件

  • 目的 

    随着交通事故和能源消耗等问题的日益突显,轻质薄壁吸能结构成为碰撞防护领域重要的研究方向。传统金属吸能管质量较大,载荷波动剧烈,难以满足现代轻量化和高比吸能的要求;纤维增强复合材料虽然有轻质高比吸能等特点,但其脆性本质易引发不稳定的失效模式,限制其在碰撞防护吸能领域应的进一步应用。本研究考虑传统金属材料及复合材料的吸能特点,提出了一种纤维/金属交错铺层的细观混杂复合材料薄壁圆管设计方法,以期实现结构性能提升。

    方法 

    本研究采用铝合金薄板与纤维增强复合材料交替铺设的方式,设计一类细观混杂薄壁圆管吸能结构。采用非均匀缠绕铺设和一体化成型方法,制备多组不同结构参数和铺层顺序的混杂圆管试样,极大简化混杂薄壁圆管的制备流程。通过轴向压缩和落锤冲击实验,测试混杂结构准静态和动态力学响应,并结合高速摄像机数据,分析混杂结构的渐进失效吸能过程。采用总能量吸收、峰值压溃载荷与压溃效率等多种耐撞性能指标,量化分析结构力学响应,并与传统金属和纤维增强复合材料试样进行对比分析。

    结果 

    在准静态压缩实验中,铝合金圆管试样产生环形渐进失效,吸能平台段载荷波动剧烈,内径76 mm试件的平台段峰谷差值接近60 kN,当加载位移达到试样长度75%时,环形塑性铰发生相互接触,试样进入密实化阶段;碳纤、玻纤复合材料圆管试样在压缩过程中均呈现出稳定的渐进失效模式,复合材料发生分层并向内外翻转形成典型的分瓣压溃模式,当加载位移达到试样长度80%时,圆管内部逐渐被壁面碎屑填满,进入密实化阶段;纤维/铝细观混杂薄壁圆管的失效模式与均质纤维复合材料薄壁圆管试样基本相同,纤维复合材料的环向撕裂过程诱导了内嵌铝合金薄板变形,导致铝板和纤维同时撕裂为多个花瓣。与铝合金管相比,细观混杂管比吸能提升了54.3%,略低于均质复合材料管,但初始峰值载荷明显降低,压溃效率明显提高。在落锤冲击实验中,铝合金圆管试样展现出与准静态加载相似的环形渐进失效,塑性环间直径差异略微增大;碳纤复合材料圆管在冲击中表现出脆性断裂失效,迸溅形成烟雾状碎屑;玻纤复合材料管呈现出与准静态加载类似的分瓣压溃模式,且花瓣撕裂数量有所减少。碳纤/铝混杂圆管的压溃过程介于碎裂压溃与分瓣压溃之间。玻纤/铝混杂圆管的压溃过程与准静态加载基本相同,表现为稳定的分瓣压溃模式。冲击载荷下,细观混杂管的比吸能相较于铝合金管有24.7%的提升,略低于均质复合材料管。

    结论 

    纤维/金属细观混杂设计可有效提高薄壁吸能结构的比吸能,降低吸能平台载荷波动。准静态加载下,碳纤/铝混杂圆管比吸能与铝合圆管相比提升了约54.3%,吸能效率增加至0.8。动态冲击下,玻纤/铝混杂圆管保持了准静态失效模式,比吸能提升了约24.7%,吸能效率保持在0.44。本研究验证了纤维/金属细观混杂铺层在碰撞防护领域的应用潜力,为轻质薄壁吸能结构设计提供了新思路与参考实例。

  • 薄壁结构凭借其吸能效率高、制造成本低以及可设计性强等优点,有效降低意外事故中因碰撞冲击造成的人员财产损失,已成为安全防护装备领域的重要研究课题。然而,传统金属薄壁圆管质量较重,吸能段载荷波动剧烈,难以满足当前防护装置对轻量化和高比吸能的需求。

    本文通过铝合金薄板与纤维增强复合材料预浸料交错铺层缠绕的方式,制备了一种细观混杂的薄壁圆管吸能结构。该结构通过引入多层铝合金与纤维增强复合材料的分界表面,促进塑性金属与脆性复合材料在变形过程中的相互作用,以实现更高的材料利用率,并改善耐撞性能;同时,该结构利用金属材料密实化高、加工工艺成熟的优势,降低复合材料渗漏率和制造成本。因此,所制得的纤维/铝细观混杂圆管比吸能显著提升,吸能平台载荷波动明显减低。在准静态加载条件下,碳纤/铝混杂圆管的比吸能提升了约54.3%;在动态冲击条件下,玻纤/铝混杂圆管的比吸能提升了约24.7%。以上结果验证了纤维/金属细观混杂铺层在碰撞防护领域的应用潜力。

    纤维/铝细观混杂薄壁吸能圆管:(a)制备工艺及试样;(b)准静态和动态下比吸能效果对比

    Composite/aluminum mesoscopic hybrid thin-walled tubes: (a) fabrication process and samples; (b) comparison of specific energy absorption effects under quasi-static and dynamic states

图(12)  /  表(3)
计量
  • 文章访问数:  103
  • HTML全文浏览量:  77
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-24
  • 修回日期:  2024-07-29
  • 录用日期:  2024-08-18
  • 网络出版日期:  2024-09-06
  • 刊出日期:  2025-06-14

目录

/

返回文章
返回