軟基體混合胞孔材料的力學性能及抗多次沖擊性能*

陳 松，習會峰，黃世清，王博偉，王小剛

（1. 暨南大學力學與建筑工程學院重大工程災害與控制教育部重點實驗室，廣東 廣州 510632；2. 佛山軟谷科技有限公司，廣東 佛山 528000）

對具有超高吸能性能材料的開發一直是安全防護領域的重點，近年來，多孔材料因其特有的孔隙結構而具備優異的力學性能受到防護領域研究者的廣泛關注。根據基體材料的性質可將多孔材料分為無機多孔材料（如泡沫金屬、泡沫混凝土等）和有機多孔材料（動物骨骼、發泡聚氨酯等），Gibson 等對多孔材料的特點和性能進行了系統的研究，為多孔材料性能的系統分析奠定了基礎。針對多孔材料及衍生結構在準靜態和動態載荷作用下的變形機制、能量吸收機理等已做了大量的研究。由于多孔結構降低了材料自身的模量，諸如泡沫金屬和泡沫混凝土，在沖擊荷載作用下通過自身的塑性變形和破壞來吸收能量，導致這類多孔材料在沖擊荷載下無法重復使用，對于復雜極端情況下的多重沖擊防護而言缺乏可靠性。為了滿足多次沖擊的防護要求，以聚氨酯、聚丙烯等高分子材料為基體的多孔材料逐漸被應用于防護領域。王必勤使用SEM 觀測了發泡橡膠材料的變形形式，發現材料是利用自身的大變形達到吸能的目的。景鵬對比了包括聚氨酯、聚甲醛、尼龍等多種緩沖材料的緩沖性能，并分析了不同材料的緩沖機理。魯林等利用霍普金森桿測試了聚氨酯的應變率效應和吸能性能，發現聚氨酯有明顯的應變率效應和良好的吸能特性。楊文葉等和金強維分別對發泡聚丙烯（expanded polypropylene，EPP）的拉伸、壓縮性能和吸能性能進行了研究，發現EPP 是一種很好的沖擊防護材料。陳潤峰等使用馬歇特錘擊試驗裝置對人工軟骨仿生材料和傳統緩沖材料進行了多次沖擊緩沖實驗，結果表明軟骨仿生材料的緩沖性能優于傳統材料，并且具有極強的穩定性。人工軟骨仿生材料就是一類新型的軟基體混合胞孔材料，目前對于這類材料的動、靜態力學響應的研究較少，缺乏材料應變率效應以及多次沖擊可恢復性的研究，限制了該類材料在防護領域內的應用。

本文中，通過微觀表征技術和實驗的方法，對一種新型軟基體混合胞孔材料—人工軟骨仿生超材料（artificial cartilage foam，ACF）的表面微觀結構、力學性能和吸能穩定特性進行表征，聚焦于材料優異的吸能特性，量化材料的吸能性能，并且討論材料在多次沖擊之后的吸能性能穩定性，以期為材料在防護結構中的應用提供依據，推動該類材料在防護多次沖擊的構件或裝備中的開發應用。

1 拉伸和壓縮實驗

1.1 人工軟骨仿生超材料

軟基體混合胞孔材料選取佛山軟谷科技有限公司開發的人工軟骨仿生超材料，如圖1(a)所示。該材料是以人體軟骨組織為靈感研發而成的，目前已經開發了多種人體防護產品，如圖1(b)所示。為了更好地研究材料的力學性能和吸能特性，利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀測人工軟骨仿生超材料的表面微觀結構形態，如圖2 所示。

圖1 人工軟骨仿生超材料及其防護產品Fig. 1 Artificial cartilage foam material and its protection products

由圖2(a)可知，ACF 材料表面分布著圓形的胞孔，胞孔直徑為10～200 μm，與一般的閉孔或者開孔材料不同，該材料內部部分孔洞之間相互連通，是一種具有部分連通性的混合胞孔材料。此外，由圖2(b)可知，孔洞內部表面分布著溝壑狀的凸起，這些凸起的高度均在納米尺度。掃描結果表明，該材料是一種具有微納米結構的軟基體混合胞孔材料。

圖2 人工軟骨仿生超材料的表面微觀結構形態Fig. 2 Microstructures of artificial cartilage foam material

1.2 材料的拉伸和壓縮力學性能

1.2.1 試件制備和實驗設備

實驗材料選擇ACF38 材料，材料密度為380 kg/m。壓縮實驗中使用直徑為50 mm、厚度為20 mm的圓柱形試件，如圖3(a)所示。拉伸實驗中使用厚度為5 mm 的啞鈴形試件，試件截面的詳細尺寸如圖3(b)所示。為保證材料密度和孔隙率的一致性，實驗所使用的材料均為同批次制備的。

圖3 實驗試件（單位：mm)Fig. 3 Experimental specimens (unit: mm)

實驗設備采用MTS-810 伺服材料試驗機和Zwick HTM16020 高速拉伸/壓縮試驗機，如圖4 所示。兩者均為油壓動力系統，可以提供恒定的拉力/壓力荷載。MTS-810 伺服材料試驗機用于進行準靜態的實驗測試，Zwick HTM16020 高速拉伸/壓縮試驗機進行中應變率條件下的拉伸和壓縮實驗，該試驗機的最大加載速度可以達到25 m/s。

圖4 實驗設備Fig. 4 Experimental equipments

1.2.2 實驗條件及過程

在室溫環境下，對ACF 材料分別進行應變率為10、40、120 和160 s的拉伸實驗和應變率為10、50、100 和150 s的壓縮實驗，實驗加載方式為位移加載，材料斷裂（拉伸）或達到既定位移（壓縮）時停止實驗。應變率的控制是通過改變加載速度實現的，應變率為加載速度與試件的標距（拉伸）或厚度（壓縮）的比值。記錄實驗過程中力和位移的時程曲線，數據處理后獲得名義應力-應變曲線，如圖5 所示。

圖5 單軸實驗曲線Fig. 5 Uniaxial experimental curves

1.3 實驗結果分析

通過對比不同加載速度下ACF 材料的拉伸應力-應變曲線，發現ACF 材料在不同加載速度下的拉伸力學性能有明顯的區別，且表現出很強的應變率效應，見圖5(a)。從應力-應變曲線的走勢上來看，ACF 材料在準靜態條件下的拉伸應力-應變關系接近線彈性，但是隨著應變率的提高，應力-應變曲線呈現明顯的非線性。當材料的拉伸應變小于0.2 時，材料均處于彈性階段，而中應變率下ACF 材料的彈性模量基本相同，但均明顯高于準靜態下的彈性模量；當拉伸應變大于0.2 時，曲線的走勢隨著應變率不同而逐漸發生變化，應變率越大，屈服強度越大。材料在不同應變率條件下的拉伸強度和斷裂應變見表1，數據顯示，隨著應變率的提升，ACF 材料的拉伸強度明顯提高，斷裂應變明顯下降。ACF 材料的拉伸強度方面，相比于準靜態條件下，應變率為40、120 和160 s的抗拉強度分別提升到準靜載條件下的2 2 4.8%、318.1%和326.3%；應變率為40、120 和160 s的斷裂應變分別降低到準靜載條件下的94.1%、77.0%和53.6%。整體來說，準靜載下ACF 材料的抗拉強度為0.910 MPa，材料的拉伸性能較弱，但隨著應變率的升高逐漸增強。

表1 不同應變率下人工軟骨仿生超材料的拉伸強度和斷裂應變Table 1 Tensile strength and breaking strain of the artificial cartilage foam material in tensile experiments at different strain rates

圖5(b)表明，與拉伸實驗類似，ACF 材料壓縮性能具有明顯的應變率效應，隨著應變率的提高，應力水平逐漸上升，壓縮性能增強。在準靜態條件下，壓縮應變達到0.65 之前應力水平較低且升高緩慢，應變達到0.65～0.80 時應力迅速升高。在中應變率加載條件下，應變達到0.1 之前壓縮應力升高相對較快，應變達到0.1～0.4 時應力提高較慢，在0.4 之后應力的增長速度逐漸提升。不同應變率下的壓縮應力-應變曲線走勢均表現出明顯的三段式曲線：在低應力時，材料的主要變形為孔壁的彎曲，稱為線彈性階段，隨著應變率的提高，ACF 材料的壓縮彈性模量逐漸增大；當孔壁的彎曲達到一定程度之后，胞孔發生坍塌，在這一階段曲線表現為應變增大，應力基本不變，稱為平臺階段；胞孔完全坍塌之后，孔壁表面開始接觸，增大的應變是固體本身受到壓縮，材料完全密實，應力迅速上升，進入密實階段。表2 為不同應變率下壓縮實驗的平臺應力和彈性模量，選取應變為0≤ε≤0.05 進行線性擬合計算彈性模量，由于平臺段與密實段對應的應變區間分界點不明顯，選取應變區間為0.1≤ε≤0.4 的平均應力作為平臺應力。由表2 可知，壓縮實驗的平臺應力和彈性模量隨著應變率的提高逐漸增大。圖5(b)中曲線與坐標橫軸圍成的面積表示材料單位體積吸收的能量，在不同應變率下平臺階段和密實階段的應變差距不大，應力差距較大，所以材料的平臺階段決定了材料的吸能，隨著應變率的提高，平臺應力升高，曲線所圍成的面積越大，吸能性能越好。

表2 不同應變率下壓縮實驗的平臺應力和彈性模量Table 2 Plateau stresses and elastic moduli obtained in compression experiments at different strain rates

通過對比中應變率下的單軸拉伸和壓縮應力-應變曲線，發現該類軟基體混合胞孔材料是一種應變率敏感材料，隨著應變率的升高，材料的彈性模量和應力均有大幅度的提高，材料的抗拉強度和抗壓強度與應變率呈正相關。相比于準靜態條件，材料在中應變率條件下的承載能力顯著增強。

2 多次沖擊下可恢復性實驗

隨著航空航天、工業精密儀器等前沿科技的發展，具有優良抗沖擊特性的軟材料在工業中的需求越來越高，它不僅要求材料在單次沖擊中有出色的抗沖擊性能和可恢復特性，還要求同一構件在多次沖擊以后仍保持著良好的峰值力、脈沖形狀、最大位移、能量吸收等沖擊效應。因此，研究軟基體混合胞孔材料在不同沖擊次數下的沖擊響應，對抗多次沖擊的軟材料的研發和應用具有一定的指導意義。

本文中，選取工業中常用的 EPP 和ACF 材料分別進行5 次反復沖擊實驗，2 種材料制成平板試件的厚度均為30 mm（見圖6(a)）。實驗設備使用Instron 9340 落錘式沖擊試驗機（見圖6(b)），沖頭為半球形，沖頭的總質量約為10 kg，沖擊高度為500 mm，即沖擊能量為50 J。比較了不同沖擊次數下的力-位移曲線和能量-位移曲線，討論了2 種材料多次沖擊下的沖擊響應和可恢復特性。常規設備獲得的荷載時程曲線不能表現材料沖擊下的回彈，為了討論材料沖擊下回彈性能，對落錘沖擊試驗機的加速度數據進行修正，再對加速度進行2 次積分獲得材料在沖擊過程中的修正位移值。

圖6 落錘沖擊實驗Fig. 6 Drop-weight impact experiment

首先，對比2 種材料單次沖擊下的力學響應。相同沖擊條件下 ACF 和EPP 的荷載-位移曲線和速度-位移曲線分別見圖7～8。 ACF 材料的最大荷載峰值力為7 370 N，EPP 材料的最大荷載峰值為4316 N；ACF 材料沖擊過程中的最大位移為10 mm，沖頭到最低位置后回彈1.3 mm 沖頭向上脫離材料，脫離時的反彈速度為0.44 m/s；EPP 材料的沖擊最大位移達23 mm，回彈位移達12 mm，脫離時反彈速度為1.22 m/s。然后，通過對力-位移曲線數據進行積分得出2 種材料在沖擊實驗過程中吸能隨沖擊位移的變化，如圖9 所示。ACF 材料在沖擊過程中最終吸能為44.7 J，僅有1.3 J 的能量重新轉化為了沖頭的動能，吸能率達到了97.1%，而EPP 材料的最終吸能為31.5 J，有12.5 J 能量再次被轉化為動能，吸能率為71.6%，相比于ACF 材料降低了25.5%。由此可以看出，相同實驗條件下，ACF 材料除了峰值力高于EPP 材料之外，材料變形量和能量吸收均優于EPP 材料，ACF 材料利用更小的變形吸收了更多的能量。

圖7 單次沖擊力-位移曲線Fig. 7 Force-displacement curves under single impact

圖8 單次沖擊速度-位移曲線Fig. 8 Velocity-displacement curves under single impact

圖9 單次沖擊能量-位移曲線Fig. 9 Energy-displacement curves under single impact

進一步對比5 次沖擊下ACF 材料和EPP 材料的吸能性能的穩定性和材料的可恢復性能。從圖10可以看出，ACF 材料每次沖擊的峰值力基本保持不變。沖擊位移從第1 次的10 mm 增大到第5 次的10.8 mm，5 次沖擊位移僅增大8%，隨著沖擊次數的增加，最大位移的增幅非常緩慢。這說明，ACF 材料在多次沖擊下，吸能性能穩定，可恢復性良好。在第2 次和第3 次沖擊時，EPP 材料的峰值力與首次沖擊相比分別增大了37.1%和56.3%，而且后3 次的力-位移曲線基本重合。出現這一情況的原因為，EPP 材料隨著沖擊次數增加，沖擊部位逐漸發生密實，沖擊部位的內部逐漸出現破壞。從圖11 可以看出，EPP 第2 次反彈速度急速升高，第3 次到第5 次反彈速度幾乎一致。這說明，第1 次沖擊已經造成EPP 材料部分密實化，第3 次沖擊已經全部密實，材料吸能能力急劇下降。相比之下，ACF 材料的反彈速度基本保持一致，具有良好的抗沖擊性能的穩定性。從圖12 可以看出，ACF 的吸能能力更穩定，最大沖擊位移和反彈位移幾乎不變，而EPP 材料在承受第2 次沖擊時吸能顯著下降，從31.5 J 下降到26.2 J，反而第3 次到第5 次能量吸收下降不明顯。再次說明，第2 次沖擊后EPP 已經密實損壞，不具有抵抗多次沖擊的能力。

圖10 多次沖擊力-位移曲線Fig. 10 Force-displacement curves under repeated impacts

圖11 多次沖擊速度-位移曲線Fig. 11 Velocity-displacement curves under repeated impacts

圖12 多次沖擊能量-位移曲線Fig. 12 Energy-displacement curves under repeated impacts

表3 為2 種材料在5 次沖擊下的能量吸收數據比較。通過對比2 種材料的單次和多次反復落錘沖擊實驗結果，發現ACF 材料在受到沖擊時可以將絕大部分的沖擊能量轉化為系統的內能，只有少部分能量被重新轉化為沖頭的動能，使沖頭反彈；ACF 材料在5 次沖擊后的吸能能力基本保持不變，ACF 材料在沖擊后具有良好的可恢復性，多次沖擊之后仍能保持穩定的多次抗沖擊能力，而EPP 材料的吸能能力自第1 次沖擊后明顯下降，EPP 材料沖擊后可恢復性較弱，抵抗多次沖擊的能力較差。

表3 ACF 和EPP 材料在不同沖擊次數下的能量吸收Table 3 Energy absorption of ACF and EPP materials under different impact times

3 結 論

(1)通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對人工軟骨仿生超材料的表面微觀結構進行了觀察。掃描結果發現，材料內部存在著微米級的孔洞，且孔洞間有一定的連通，孔洞表面分布著溝壑狀的納米級凸起，ACF 材料是一種具有微納米結構的軟基體混合胞孔材料。該類材料的基體剛度和微納米結構的組合效應有可能是導致材料吸能能力提高和多次抗沖擊性能的關鍵，未來將對這方面進行更加深入地研究。

(2)通過開展軟基體混合胞孔材料在動靜態條件下的單軸拉伸和壓縮實驗，發現該類材料是一種應變率敏感材料，隨著應變率的提高，材料的拉伸強度（拉伸）、平臺應力（壓縮）和彈性模量均逐漸上升。根據中應變率條件下的單軸實驗曲線，得到了材料的彈性模量、拉伸強度、斷裂應變（拉伸）、平臺應力（壓縮）等數據，初步建立了材料的單軸拉伸和壓縮下的力學性能數據庫。

(3)通過落錘沖擊實驗，對比ACF 材料和EPP 材料在多次沖擊作用下的沖擊響應。實驗結果發現，ACF 材料在50 J 能量的沖擊作用下，5 次沖擊的最大峰值力、最大變形量和吸能能力幾乎不變，具有良好的可恢復性，具有穩定的多次抗沖擊能力；而EPP 材料的可恢復性能較弱，抗多次沖擊的能力較差。進一步說明，ACF 材料是一種吸能性能優異且可抵抗多次沖擊的軟基體混合胞孔材料。因此，ACF 材料在多次沖擊防護方面具有廣闊的應用前景。