石墨烯增强模拟月壤地聚合物的动态压缩力学性能

摘要

采用Ф50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，在3.39～6.67 m/s的冲击速度和0～0.15%(质量分数)的石墨烯掺量条件下，研究石墨烯增强模拟月壤地聚合物在动态冲击载荷下的力学响应特性。重点分析石墨烯掺量对材料动态抗压强度、能量耗散机制及破碎分形特征的影响，并借助扫描电子显微镜(SEM)揭示其在基体中的微观增强机理。结果表明：石墨烯增强模拟月壤地聚合物具有明显的应变率效应，动态抗压强度和动态强度因子均随冲击速度提高呈线性增长；在3.39 m/s的冲击速度下，动态抗压强度随石墨烯掺量增加先增大后降低，最优掺量为0.10%，较未掺组强度提升14.75%，过量掺入会因石墨烯团聚效应导致性能下降。能量分析表明，入射能、吸收能与反射能均呈先增长后稳定的趋势，其中0.10%掺量组试样在6.67,4.49,3.39 m/s的冲击速度下，对应的入射能峰值分别为吸收能峰值的7.06,6.66,3.67倍。破碎体分形特征分析证实材料破碎后碎块分布具有良好的分形结构特征。微观机理分析显示：石墨烯通过孔隙充填和微裂纹桥接作用有效抑制损伤扩展，促进能量耗散；同时作为成核位点促进地聚合反应，生成更多C—A—S—H和N—A—S—H胶凝相，形成多尺度增强结构。本研究为月球基地建筑材料在高应变率条件下的性能优化提供了重要试验依据。

关键词

石墨烯 / 模拟月壤 / 应变率效应 / 分形维数 / 能量耗散 / SHPB试验

基金资助

国家自然科学基金项目(50874003); 安徽省教育厅研究生学术创新项目(2024xscx082)