剪切增稠液填充蜂窩夾芯板的低速沖擊響應

摘要： 將氣相二氧化硅顆粒與聚乙二醇溶液混合制備的剪切增稠液（ shear-thickening fluid， STF）填充到蜂窩芯層中，制成了STF 填充蜂窩夾芯板。通過落錘沖擊實驗，研究了沖擊速度（1.0、1.5、2.0 m/s）、蜂窩孔徑（2.0、2.5、3.0 mm）和壁厚（0.04、0.06、0.08 mm）對夾芯板力學性能的影響。利用數字圖像相關技術測量了結構的應變歷史和后面板撓度場的分布情況，探討了結構的低速沖擊響應過程。實驗結果表明，在低速沖擊下，未填充STF 蜂窩夾芯板的變形模式為后面板中心區域凸起變形，周圍區域有明顯鼓包變形；填充STF 蜂窩夾芯板的變形模式為后面板凸起變形且局部凸起區域較大，周圍無鼓包產生。STF 的剪切增稠效應可以增加參與能量吸收的蜂窩單元，擴大結構的局部變形區域，減小結構的后面板撓度。提高沖擊速度、增大蜂窩孔徑或者減小壁厚，都更有利于STF 的剪切增稠效應。

關鍵詞： 剪切增稠液；蜂窩夾芯板；低速沖擊；變形模式；數字圖像相關技術

中圖分類號： O347.3 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

夾芯結構作為保護人員和重要結構的防護附層，主要抵抗碎片沖擊和爆炸沖擊等極端載荷，因此探究夾芯結構的抗沖擊性能有重要意義。很多學者研究發現，在芯層中填充額外的吸能材料可以有效提高夾芯結構的抗沖擊能力，例如聚氨酯泡沫[1]、納米黏土[2] 和剪切增稠液（shear-thickening fluid， STF）[3-4] 等，其中STF 作為一種新型環保填充材料受到廣泛關注。STF 是一種典型的非牛頓流體，其黏度和動力響應特征在不同剪切速率下的表現差異顯著。有關STF 的研究可以追溯到五十多年前，Hoffman[5] 首先提出了有序-無序轉化理論，非牛頓流體中的顆粒在靜止或低剪切速率下會呈現出有序的分布狀態，當受到高速剪切作用后，這種有序的分布狀態會被破壞，從而變為無序的狀態。無序的粒子發生聚集，影響流體的正常流動，導致剪切增稠效應。此后又出現了關于剪切增稠效應的其他著名理論，包括粒子簇理論[6] 和接觸流變理論[7]。

由于STF 的特殊流變性能，在防護領域有廣闊的應用前景，目前STF 主要應用于纖維材料和阻尼振動結構。Selver[8] 用STF 浸漬碳纖維和玻璃纖維做成復合材料，并進行沖擊測試，發現在沖擊過程中，加入STF 可以通過產生剪切增稠效應來提高碳纖維和玻璃纖維的能量吸收和峰值載荷。Bajya 等[9] 用STF 浸漬Kevlar 纖維，對其進行了彈道沖擊實驗，發現這種復合纖維材料的抗穿透能力顯著增強，而其柔韌性沒有任何損失。Gürgen 等[10] 將STF 填充到碳纖維增強聚合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）管中，通過模態分析研究了結構的振動特性，發現STF 填充到CFRP 管中顯著提高了結構的固有頻率和阻抗比。Neagu 等[11] 采用微觀力學模型研究了由硅膠基體和玻璃纖維制成的復合材料在纖維-基體界面處的阻抗比，發現添加STF 能夠明顯改善該復合材料的阻尼性能。

目前，已有研究人員將STF 應用在傳統的夾芯結構中。Warren 等[12] 通過碰撞實驗，研究了STF 填充蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，結果表明填充STF 可以減少對芯層的破壞和后面板穿孔的概率。Lam 等[13]分別將聚氨酯泡沫、牛頓流體和STF 填充到夾芯結構的芯層中，利用LS-DYNA 對結構的壓潰性能進行了數值研究，發現STF 填充的結構能提高平均壓潰力，具有理想的吸能特性和抗壓潰性能。Fu 等[14] 將STF 填充到不同芯層厚度的蜂窩夾芯結構中，并進行了沖擊實驗，發現STF 有效提高了芯層較薄結構的能量吸收，抑制了芯層較厚結構的沖擊損傷。

然而，針對蜂窩幾何參數（如蜂窩孔徑和壁厚）對STF 填充夾芯板抗沖擊性能的影響還缺乏研究。本文中，首先，通過實驗方法測試STF 在不同速度下的抗沖擊性能；然后，將STF 填充到蜂窩夾芯板中，研究STF 對蜂窩夾芯板抗沖擊行為的影響；最后，改變蜂窩的幾何參數，探究孔徑和壁厚對STF 填充蜂窩夾芯板抗沖擊行為的影響，闡明STF 填充蜂窩夾芯板抗沖擊性能增強的潛在機制。

1 實驗設置

利用Instron 9350 型落錘試驗機進行低速沖擊實驗，沖擊速度范圍為1.0～2.0 m/s。實驗中使用高強度不銹鋼制成的圓柱形錘頭，頭部為半球形，直徑為20 mm。沖擊器的總質量為5.6 kg。利用數字圖像相關（digital image correlation， DIC）法測試結構后面板變形場，其中高速攝像機拍攝幀頻為7 500 s?1，實驗設置如圖1 所示。

蜂窩夾芯板（honeycomb sandwich panel， HP）結構由鋁合金A5052 的面板和鋁合金1350-H19 的蜂窩芯層組成，具體材料參數見表1。面板的厚度tp=0.25 mm；蜂窩芯層的高度hh=15 mm；蜂窩的孔徑l 有3 種，分別為2.0 mm （S）、2.5 mm （M）、3.0 mm （L）；蜂窩的壁厚th 有3 種，分別為0.04 mm （S）、0.06 mm（M）、0.08 mm （L）。將STF 填充到HP 的過程中，一些蜂窩孔中會有氣泡產生，如圖2（a） 所示，導致填充效果不佳。為了消除氣泡對沖擊實驗的影響，使用真空干燥箱對試件進行抽真空處理。每次處理10 min后繼續填充，重復處理3 次，氣泡基本消除，如圖2（b） 所示。填充STF 的面積為100 mm×100 mm[14-15]，填充區域與沖擊錘頭面積相比足夠大，可以有效降低邊界效應，制備成型的STF 填充蜂窩夾芯板（HP-STF）結構如圖2（c） 所示。當沖擊速度為1.0 m/s 時，結構記為HP-1.0 m/s 或HP-STF-1.0 m/s；當HP 結構的蜂窩孔徑為2.0 mm （S）、蜂窩壁厚為0.06 mm （M） 時，結構記為HP-SM；當HP-STF 結構的蜂窩孔徑為2.0 mm （S）、蜂窩壁厚為0.06 mm （M） 時，結構記為HP-STF-SM，其他結構命名以此類推。

2 STF 性能測試

2.1 流變測試

將氣相二氧化硅顆粒溶解到聚乙二醇溶液中，通過攪拌砂磨分散多用機攪拌約3 h，得到氣相二氧化硅質量分數為20% 的STF，如圖3（a） 所示。室溫下使用Anton Paar MCR302 流變儀對該STF 進行測量，得到其黏度隨剪切速率的變化趨勢，如圖3（b） 所示。從圖3（b） 可以看出，STF 在低剪切速率下出現剪切變稀的特性，在達到臨界剪切速率（6.07 s?1）后黏度開始提高，表現出剪切增稠特性，直到黏度達到峰值（116 Pa·s）后，再次出現剪切變稀的特性[16-18]。為了直觀展示STF 試樣的剪切增稠特性，根據STF 對剪切速率的敏感性，進行了簡單的快速抽拉測試，如圖4 所示。將一根木棍從裝有STF 樣品的容器中快速抽出，通過高速攝像機記錄木棍抽出的過程。木棍離開容器的瞬間，STF 以錐形附著在木棍上；緊接著其余STF 在木棍下方形成矩形區域，出現短暫的固體特征；隨著木棍繼續拉出，錐形區域和矩形區域的變形達到極限狀態；STF 逐漸變稀并流下。

2.2 落錘沖擊測試

STF 在低剪切速率下具有低黏度，而在沖擊載荷作用下，二氧化硅顆粒團簇形成堵塞，黏度瞬間提高。為了進一步觀察STF 的抗沖擊作用，對STF 樣品進行了低速沖擊測試。將STF 樣品裝在直徑d 為70 mm、高度H 為100 mm 的塑料瓶中，采用直徑為20 mm 的圓柱形錘頭對試樣進行沖擊，沖擊速度v 為0.1～0.9 m/s，如圖5 所示，試樣高度hs 為60 mm。實測載荷-位移曲線如圖6 所示，從載荷-位移曲線中提取沖擊載荷峰值和位移峰值，并積分得到能量吸收情況：

式中：E 為STF 吸收的能量，F 為落錘的沖擊載荷，s 為落錘接觸STF 后下降的位移。結果見表2。

當落錘沖擊速度從0.1 m/s 提高到0.5 m/s時，由于沖擊速度很低，STF 的增稠效應不明顯，沖擊載荷峰值較小。當落錘沖擊速度從0.6 m/s提高到0.9 m/s 時，由于沖擊速度提高，STF 產生了增稠效應，沖擊載荷隨著侵徹深度的增加而急劇增大，STF 的抵抗作用相應增強，錘頭到達瓶底之前被增稠的STF 彈回。進一步分析可得，當沖擊速度從0.1 m/s 提高到0.3 m/s 時，沖擊載荷峰值從124.2 N 單調增大到207.8 N。然而，落錘的位移峰值沒有單調性，沖擊速度為0.2 m/s時落錘的位移峰值最大，為60.0 mm；沖擊速度為0.3 m/s 時落錘的位移峰值最小，為50.7 mm。當沖擊速度從0.4 m/s 提高到0.9 m/s 時，沖擊載荷峰值從232.6 N 單調增大到1 135.0 N，落錘的位移峰值從56.5 mm 單調減小到36.0 mm。

落錘低速實驗結果表明，在較低的沖擊速度（0.1～0.3 m/s）下，STF 不易產生增稠效應，落錘的沖擊載荷峰值隨沖擊速度提高而增大，位移峰值沒有規律性，STF 的抗沖擊性能不明顯；當提高沖擊速度（0.4～0.9 m/s）時，STF 產生了增稠效應，隨著沖擊速度的提高，落錘的沖擊載荷峰值增大，位移峰值減小，能量吸收呈升高趨勢，STF 的抗沖擊性能更明顯。

3 夾芯板動態響應過程

通過高速DIC 技術，測試并計算了結構后面板的應變歷史。圖7 為HP-STF-MS 在x 方向上的應變歷史，圖8 為其在y 方向上的應變歷史。落錘從t=0 ms 時開始沖擊結構（圖7（a） 和8（a）），當t=1.5 ms 時，結構x 方向和y 方向的中間帶狀區域均發生大面積受拉變形，如圖7（b） 和8（b） 所示。當t=1.9 ms 時：x 方向的落錘沖擊點左右兩側產生集中拉應變，最下方邊界處出現輕微壓應變，如圖7（c） 所示；y 方向的拉應變區域擴大，兩側的邊界處出現輕微壓應變，如圖8（c） 所示。當t=3.2 ms 時：x 方向的集中拉應變增大，應變分界從帶狀變為環狀，如圖7（d） 所示；y 方向在落錘沖擊點上下兩側產生集中拉應變，如圖8（d） 所示。當t=5.3 ms 時：x 方向的拉應變區域向落錘沖擊點集中，應變進一步增大，如圖7（e） 所示；y 方向的應變區域也逐漸變大，呈現出清晰的環狀分布，如圖8（e） 所示。當t=25.0 ms 時：x 方向和y 方向的應變均趨于穩定，最大應變都集中在落錘沖擊點處，如圖7（f） 和8（f） 所示。

4 參數分析

4.1 沖擊速度對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩孔徑2.5 mm、蜂窩壁厚0.04 mm 和芯層高度15 mm 不變，改變沖擊速度，分別取1.0、1.5 和2.0 m/s。圖9 為實驗采集的3 種速度下HP 結構和HP-STF 結構的沖擊載荷-位移曲線。沖擊速度為1.0 m/s 時，2 種結構的峰值力相似，HP-STF 的凹陷深度為4.7 mm，比HP 的凹陷深度（4.8 mm）小2.1%。這表明，在1.0 m/s 的沖擊速度下，STF 無法充分發揮增稠效果，為結構提供的抵抗作用微乎其微。沖擊速度為1.5 m/s 時，HP-STF 的峰值力比HP 的高4.7%，2 種結構的沖擊力在峰值后均有一段波動，說明錘頭沖破了前面板，作用在芯層區域。HP-STF 芯層中的STF受到沖擊作用后會產生增稠效應，導致落錘的穿透深度更小，此時HP-STF 的穿透深度為8.9 mm，比HP 的穿透深度（10.2 mm）小12.7%。沖擊速度為2.0 m/s 時，2 種結構的沖擊載荷變化趨勢有明顯差別，HP 有2 個峰值，而HP-STF 只有1 個峰值。對比落錘的穿透深度，填充STF 可以降低34.5%，且隨著沖擊速度的提高，STF 對穿透深度的降低效果更顯著。

圖10 為HP-STF 結構和HP 結構在2.0 m/s 沖擊速度下的破壞形態，可以看出，HP 的后面板中心區域凸起變形嚴重，周圍有明顯的鼓包變形，而HP-STF 的后面板只有中心區域有凸起情況，并且散斑破損的面積比HP 大，沒有產生中心區域到邊界處的鼓包變形。這是因為，未填充STF 的HP 結構只有落錘正下方區域的蜂窩壁承受沖擊，當這些蜂窩壁被壓實后，只能進一步傳遞給后面板的局部區域，導致后面板容易達到變形極限；而HP-STF 結構由于液體的剪切增稠作用，落錘對芯層的沖擊壓迫STF 向外側移動，導致周圍更多的蜂窩壁屈曲，參與能量吸收，增大了后面板的局部變形區域，有效減小了后面板的變形程度。

為了更深入探究STF 填充蜂窩夾芯板在沖擊載荷作用下的抗沖擊性能，通過下式計算沖量：

式中：t 為落錘作用在結構上的時間。

圖11（a） 為不同沖擊速度下HP 和HP-STF 的沖量與峰值載荷情況，可以發現，填充STF 提高了結構的沖擊力峰值，而HP-STF 的沖量始終小于HP，說明沖擊速度為1.5 和2.0 m/s 時，HP-STF 的作用力持續時間比HP 短，STF 提高了結構的剛度。從圖11（b） 可以看到，隨著沖擊速度的提高，HP 和HP-STF 的穿透深度都增大，但HP-STF 的穿透深度始終小于HP 的。圖11（c） 為2 種結構的后面板殘余撓度情況，與穿透深度的變化規律相似，在3 種沖擊速度下，HP-STF 的殘余撓度分別比HP 的減小了2.0%、33.3% 和42.9%。可見，填充STF 可以提高結構的剛度，有效減小結構的穿透深度和結構后面板的殘余撓度，且提高沖擊速度更有利于STF 產生增稠效應。

4.2 蜂窩孔徑對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩壁厚0.04 mm、芯層高度15 mm 和沖擊速度2.0 m/s 不變，改變蜂窩的孔徑尺寸（包括2.0、2.5 和3.0 mm）。圖12 為不同蜂窩孔徑結構的沖擊力-位移曲線。在相同沖擊速度下，3 種蜂窩孔徑結構的沖擊載荷均只有一個峰值，在峰值后存在不同平臺的波動，意味著3 種結構的前面板都破裂，錘頭已經到達了芯層或后面板，但是對芯層的壓縮情況不同。3 種結構的穿透深度差異明顯：HP-STF-SS 結構的穿透深度最小，約為11.6 mm；HP-STF-MS 結構的穿透深度次之，約為14.2 mm；HP-STF-LS 結構的穿透深度最大，約為19.7 mm。這說明，蜂窩孔徑影響了結構的穿透深度，孔徑越大，穿透深度越大。

為了觀察芯層的變形情況，從穿孔處將試件切開，試件結構的剖面如圖13 所示。可以看出：HPSTF-SS 結構出現的主要是局部的壓入失效（伴有輕微撕裂破壞），近前面板處的蜂窩芯層部分被壓實，近后面板處的蜂窩芯層有輕微屈曲變形；HP-STF-MS 結構出現的主要是局部的壓入失效，且前面板發生撕裂破壞，蜂窩芯層的變形模式與HP-STF-SS 結構相似；HP-STF-LS 結構出現的主要是局部的穿透失效，并伴隨前面板和蜂窩芯層的明顯撕裂破壞。這說明，蜂窩孔徑影響了前面板和蜂窩芯層的破壞模式，孔徑越大，錘頭越容易撕裂前面板和穿破蜂窩芯層，兩者的破壞程度越嚴重。

圖14 為3 種結構的后面板撓度對比，其中隨著蜂窩孔徑的增大，最大撓度和殘余撓度都減小。HPImpulseSTF-SS 結構和HP-STF-MS 結構的最大撓度分別為2.5 和2.3 mm，相較于HP-STF-LS 結構的最大撓度（1.9 mm）分別大31.6% 和21.1%；HP-STF-SS 結構和HP-STF-MS 結構的殘余撓度分別為1.9 和1.8 mm，比HP-STF-LS 結構的殘余撓度（1.7 mm）分別大11.8% 和5.9%。填充STF 可以降低結構的后面板撓度，這是因為當蜂窩芯層與STF 一同受到沖擊作用時，蜂窩產生屈曲變形，STF 發生增稠效應，這種效應使蜂窩孔中的STF 轉變為固體形態，阻止蜂窩過早變形，并將面外的壓縮作用傳遞給鄰近的蜂窩單元，讓更多蜂窩單元參與抗沖擊過程[15， 19-20]。HP-STF-LS 結構的撓度最小，說明增大蜂窩孔徑有利于降低結構的后面板撓度。

圖15 為3 種HP-STF 結構的DIC 變形云圖，分別對應結構后面板撓度達到最大的時刻，可以看出，HP-STF-SS 結構和HP-STF-MS 結構的變形情況相似，而HP-STF-LS 的變形區域更大，表明蜂窩孔徑較大的結構更有利于STF 的增稠效應，增加參與能量吸收的蜂窩單元。在錘頭相同的沖擊面積下，蜂窩孔徑越小的結構抵抗落錘沖擊的蜂窩單元越多，導致落錘未能穿透前面板，緩沖了對蜂窩芯層和STF 的沖擊作用，不利于STF 產生增稠效應；反之，蜂窩孔徑越大的結構，前面板更容易被穿透，提高了落錘直接作用STF 的可能性，更有利于STF 產生增稠效應，從而降低后面板撓度。

4.3 蜂窩壁厚對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩孔徑3 mm、芯層高度15 mm 和沖擊速度2.0 m/s 不變，改變蜂窩壁厚（包括0.04、0.06 和0.08 mm）。如圖16 所示，HP-STF-LM 結構和HP-STF-LL 結構的穿透深度分別為16.6 和10.8 mm，比HP-STF-LS 結構的穿透深度（19.7 mm）分別小15.7% 和45.2%。這說明，蜂窩壁厚影響了落錘的穿透深度，壁厚越大，承受沖擊載荷的蜂窩孔壁剛度越大，落錘的穿透深度越小。

圖17 為3 種結構的剖面。可以看出，HP-STF-LS 結構破壞最嚴重，主要是局部的穿透失效，并伴隨前面板和蜂窩芯層的明顯撕裂破壞；HP-STF-LM 結構出現的主要是局部的壓入失效，并伴隨前面板撕裂破壞，蜂窩芯層有明顯屈曲變形；HP-STF-LL 結構出現的主要是局部的壓入失效，前面板輕微撕裂破壞，蜂窩芯層有輕微屈曲變形。這說明，蜂窩壁厚影響了前面板和蜂窩芯層的破壞模式，蜂窩壁越厚，錘頭對前面板的撕裂程度越低，對蜂窩芯層破壞程度越低。

圖18 為3 種結構的后面板撓度對比，可以看到，不同蜂窩壁厚結構的后面板撓度差異明顯，其中壁厚越大，撓度越大。HP-STF-LM 和HP-STF-LL 結構的最大撓度分別為2.1 和3.0 mm，比HP-STF-LS 結構的最大撓度（1.9 mm）分別大10.5% 和57.9%；HP-STF-LM 和HP-STF-LL 結構的殘余撓度分別為1.9 和2.4 mm，比HP-STF-LS 結構的殘余撓度（1.7 mm）分別大11.8% 和41.2%。HP-STF-LS 結構的撓度最小，說明減小蜂窩壁厚有利于降低結構的后面板撓度。

圖19 為不同蜂窩壁厚HP-STF 結構的DIC 變形云圖，分別對應結構后面板撓度達到最大的時刻，可以看出，3 種結構的變形區域相似，變形大小不同，HP-STF-LS 結構的后面板變形最小，說明蜂窩壁厚較小的結構更有利于STF 產生增稠效應，降低結構的后面板撓度，提高結構的抗沖擊性能。這是因為，蜂窩壁和STF 同時承擔沖擊載荷，增大蜂窩壁厚會削減STF 受到的沖擊作用，不利于STF 產生增稠效應；反之，減小蜂窩壁厚會增加STF 受到的沖擊作用，STF 更容易達到臨界剪切速率，從而產生增稠效應。

5 結 論

將氣相二氧化硅顆粒溶解到聚乙二醇溶液中，成功制備了剪切增稠液（shear-thickening fluid， STF），并將STF 填充到蜂窩夾芯板中制成了STF 填充蜂窩夾芯板。對蜂窩夾芯板結構和STF 填充蜂窩夾芯板結構開展了落錘低速沖擊實驗，并利用數字圖像相關技術測量了結構的應變歷史與撓度場分布情況，探討了結構的低速沖擊響應過程，研究了落錘沖擊速度、蜂窩孔徑和壁厚對蜂窩夾芯板抗沖擊性能的影響，得到以下主要結論。

（1） STF 填充蜂窩夾芯板在低速沖擊響應過程中先出現大面積的帶狀拉應變區域，然后轉變為環狀區域，最后最大拉應變集中在落錘沖擊點。

（2） 填充STF 會影響蜂窩夾芯板結構后面板的變形模式，未填充STF 的結構呈現出后面板中心區域凸起、周圍區域產生鼓包現象的變形模式；填充STF 的結構呈現出后面板局部凸起變形區域較大，但無鼓包產生的變形模式。

（3） 在本研究的低速范圍內，填充STF 可以增加結構的剛度，減小結構的穿透深度和后面板殘余撓度，相比于未填充STF 結構，填充STF 結構的穿透深度分別減小了2.1%、12.7%、34.5%，后面板殘余撓度分別減小了2.0%、33.3%、42.9%，沖擊速度越大，STF 越容易產生增稠效應；孔徑為2.0 和2.5 mm 結構的殘余撓度分別比孔徑為3.0 mm 結構的殘余撓度大11.8% 和5.9%，增大孔徑可以提高落錘直接作用在STF 的可能性，更有利于STF 產生增稠效應；壁厚為0.06 和0.08 mm 結構的殘余撓度分別比壁厚為0.04 mm 結構的殘余撓度大11.8% 和41.2%，減小壁厚會增大 STF 受到的沖擊作用，STF 更容易達到臨界剪切速率而產生增稠效應。

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（責任編輯 張凌云）

基金項目： 國家自然科學基金（12072219， 12272254）；山西省自然科學研究面上項目（202203021211170）；海安太原理工大學先進制造與智能裝備產業研究院開放研發項目（2023HA-TYUTKFYF016）；山西省科技創新人才團隊（領軍）專項資助（202204051002006）