Mechanical properties of the mixed cellular material with soft matrix and its response to repeated impacts
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摘要: 为了探索具有优异吸能性能的软基体混合胞孔材料的力学性能，研究该类材料在多次冲击下的冲击响应和材料的可恢复性，对一种软基体混合胞孔材料—人工软骨仿生超材料（artificial cartilage foam，ACF）进行了不同速度下的单轴拉伸和压缩实验，得到了ACF材料在不同应变率条件下的应力-应变曲线。并利用落锤冲击实验机对ACF材料和另一种软基体混合胞孔材料—发泡聚丙烯材料（expanded polypropylene，EPP）进行了多次冲击下的对比测试，得到了2种材料在单次和多次冲击下的动力学响应。实验结果表明：ACF材料是一种应变率敏感的材料，随着应变率的提升，材料的弹性模量、抗拉强度和抗压强度均逐渐提高；在50 J 冲击能量作用下，ACF材料能够吸收96%以上的冲击能量，远高于EPP材料的70%，ACF材料具有更加优异的吸能性能；5次冲击后ACF材料的最大峰值力、最大变形量和吸能能力几乎不变。相比于EPP材料，ACF材料有良好的可恢复性，且具有稳定的多次抗冲击能力。这些研究为软基体混合胞孔材料在多次冲击防护中的应用提供了实验依据。Abstract: The mixed cellular materials with soft matrix are a new type of cushioning and protective materials which have excellent energy absorption properties. In order to study the effect of strain rate on the mechanical behaviors of this kind of materials, uniaxial tensile and compression experiments were conducted on the artificial cartilage foam (ACF) material, at different velocities to obtain the stress-strain curves of the ACF material under different strain rate conditions. Based on the obtained stress-strain curves, the elastic moduli and material strengths of the ACF material were gained under different strain rate conditions. And the comparative tests of the ACF material and expanded polypropylene (EPP) material of the same size and thickness under multiple impacts were carried out by a drop-hammer impact test machine. By comparing the impact responses of the two materials under single and multiple impact loads, the energy absorption characteristics, and the stability of the energy absorption characteristics of the two materials were analyzed. The results reveal that the ACF material is a strain rate-sensitive material, and the stress-strain curves under different strain-rate conditions take on the same trend. The elastic modulus, tensile and compressive strengths of the material gradually increase with the increasing strain rate. Under the action of 50-J impact energy, the ACF material can absorb more than 96% of the impact energy, higher than the 70% of the impact energy absorbed by the EPP material. Moreover, the maximum displacement of the ACF material is only 40% of that of the EPP material. Therefore, the ACF material has more excellent energy absorption performance than the EPP material. The peak force, maximum displacement, and energy absorption ability of the ACF material were almost unchanged after five impacts. Compared with the EPP materials, the ACF material has more favorable recoverability and more stable repeated impact resistance. The research of the work can provide an experimental basis for the application of the mixed cellular materials with soft matrix in multiple impact protection.
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对具有超高吸能性能材料的开发一直是安全防护领域的重点，近年来，多孔材料因其特有的孔隙结构而具备优异的力学性能受到防护领域研究者的广泛关注 [1-2]。根据基体材料的性质可将多孔材料分为无机多孔材料（如泡沫金属、泡沫混凝土等）和有机多孔材料（动物骨骼、发泡聚氨酯等），Gibson等[3]对多孔材料的特点和性能进行了系统的研究，为多孔材料性能的系统分析奠定了基础。针对多孔材料及衍生结构在准静态和动态载荷作用下的变形机制、能量吸收机理等已做了大量的研究[4-7]。由于多孔结构降低了材料自身的模量，诸如泡沫金属和泡沫混凝土，在冲击荷载作用下通过自身的塑性变形[8-10]和破坏[11-12]来吸收能量，导致这类多孔材料在冲击荷载下无法重复使用，对于复杂极端情况下的多重冲击防护而言缺乏可靠性。为了满足多次冲击的防护要求，以聚氨酯、聚丙烯等高分子材料为基体的多孔材料逐渐被应用于防护领域。王必勤[13]使用SEM观测了发泡橡胶材料的变形形式，发现材料是利用自身的大变形达到吸能的目的。景鹏[14]对比了包括聚氨酯、聚甲醛、尼龙等多种缓冲材料的缓冲性能，并分析了不同材料的缓冲机理。鲁林等[15]利用霍普金森杆测试了聚氨酯的应变率效应和吸能性能，发现聚氨酯有明显的应变率效应和良好的吸能特性。杨文叶等[16]和金强维[17]分别对发泡聚丙烯（expanded polypropylene，EPP）的拉伸、压缩性能和吸能性能进行了研究，发现EPP是一种很好的冲击防护材料。陈润峰等[18]使用马歇特锤击试验装置对人工软骨仿生材料和传统缓冲材料进行了多次冲击缓冲实验，结果表明软骨仿生材料的缓冲性能优于传统材料，并且具有极强的稳定性。人工软骨仿生材料就是一类新型的软基体混合胞孔材料，目前对于这类材料的动、静态力学响应的研究较少，缺乏材料应变率效应以及多次冲击可恢复性的研究，限制了该类材料在防护领域内的应用。
本文中，通过微观表征技术和实验的方法，对一种新型软基体混合胞孔材料—人工软骨仿生超材料（artificial cartilage foam，ACF）的表面微观结构、力学性能和吸能稳定特性进行表征，聚焦于材料优异的吸能特性，量化材料的吸能性能，并且讨论材料在多次冲击之后的吸能性能稳定性，以期为材料在防护结构中的应用提供依据，推动该类材料在防护多次冲击的构件或装备中的开发应用。
1. 拉伸和压缩实验
1.1 人工软骨仿生超材料
软基体混合胞孔材料选取佛山软谷科技有限公司开发的人工软骨仿生超材料，如图1(a)所示。该材料是以人体软骨组织为灵感研发而成的，目前已经开发了多种人体防护产品，如图1(b)所示。为了更好地研究材料的力学性能和吸能特性，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜观测人工软骨仿生超材料的表面微观结构形态，如图2所示。
图 1 人工软骨仿生超材料及其防护产品Figure 1. Artificial cartilage foam material and its protection products
图 2 人工软骨仿生超材料的表面微观结构形态Figure 2. Microstructures of artificial cartilage foam material由图2(a)可知，ACF材料表面分布着圆形的胞孔，胞孔直径为10～200 μm，与一般的闭孔或者开孔材料不同，该材料内部部分孔洞之间相互连通，是一种具有部分连通性的混合胞孔材料。此外，由图2(b)可知，孔洞内部表面分布着沟壑状的凸起，这些凸起的高度均在纳米尺度。扫描结果表明，该材料是一种具有微纳米结构的软基体混合胞孔材料。
1.2 材料的拉伸和压缩力学性能
1.2.1 试件制备和实验设备
实验材料选择ACF38材料，材料密度为380 kg/m3。压缩实验中使用直径为50 mm、厚度为20 mm的圆柱形试件，如图3(a)所示。拉伸实验中使用厚度为5 mm的哑铃形试件，试件截面的详细尺寸如图3(b)所示。为保证材料密度和孔隙率的一致性，实验所使用的材料均为同批次制备的。
实验设备采用MTS-810伺服材料试验机和Zwick HTM16020高速拉伸/压缩试验机，如图4所示。两者均为油压动力系统，可以提供恒定的拉力/压力荷载。MTS-810伺服材料试验机用于进行准静态的实验测试，Zwick HTM16020高速拉伸/压缩试验机进行中应变率条件下的拉伸和压缩实验，该试验机的最大加载速度可以达到25 m/s。
1.2.2 实验条件及过程
在室温环境下，对ACF材料分别进行应变率为10−3、40、120和160 s−1的拉伸实验和应变率为10−3、50、100和150 s−1的压缩实验，实验加载方式为位移加载，材料断裂（拉伸）或达到既定位移（压缩）时停止实验。应变率的控制是通过改变加载速度实现的，应变率为加载速度与试件的标距（拉伸）或厚度（压缩）的比值。记录实验过程中力和位移的时程曲线，数据处理后获得名义应力-应变曲线，如图5所示。
1.3 实验结果分析
通过对比不同加载速度下ACF材料的拉伸应力-应变曲线，发现ACF材料在不同加载速度下的拉伸力学性能有明显的区别，且表现出很强的应变率效应，见图5(a)。从应力-应变曲线的走势上来看，ACF材料在准静态条件下的拉伸应力-应变关系接近线弹性，但是随着应变率的提高，应力-应变曲线呈现明显的非线性。当材料的拉伸应变小于0.2时，材料均处于弹性阶段，而中应变率下ACF材料的弹性模量基本相同，但均明显高于准静态下的弹性模量；当拉伸应变大于0.2时，曲线的走势随着应变率不同而逐渐发生变化，应变率越大，屈服强度越大。材料在不同应变率条件下的拉伸强度和断裂应变见表1，数据显示，随着应变率的提升，ACF材料的拉伸强度明显提高，断裂应变明显下降。ACF材料的拉伸强度方面，相比于准静态条件下，应变率为40、120和160 s−1的抗拉强度分别提升到准静载条件下的224.8%、318.1%和326.3%；应变率为40、120和160 s−1的断裂应变分别降低到准静载条件下的94.1%、77.0%和53.6%。整体来说，准静载下ACF材料的抗拉强度为0.910 MPa，材料的拉伸性能较弱，但随着应变率的升高逐渐增强。
表 1 不同应变率下人工软骨仿生超材料的拉伸强度和断裂应变Table 1. Tensile strength and breaking strain of the artificial cartilage foam material in tensile experiments at different strain rates应变率/s−1 拉伸强度/MPa 断裂应变 10−1 0.910 1.468 40 2.046 1.381 120 2.895 1.131 160 2.969 0.772 图5(b)表明，与拉伸实验类似，ACF材料压缩性能具有明显的应变率效应，随着应变率的提高，应力水平逐渐上升，压缩性能增强。在准静态条件下，压缩应变达到0.65之前应力水平较低且升高缓慢，应变达到0.65~0.80时应力迅速升高。在中应变率加载条件下，应变达到0.1之前压缩应力升高相对较快，应变达到0.1~0.4时应力提高较慢，在0.4之后应力的增长速度逐渐提升。不同应变率下的压缩应力-应变曲线走势均表现出明显的三段式曲线：在低应力时，材料的主要变形为孔壁的弯曲，称为线弹性阶段，随着应变率的提高，ACF材料的压缩弹性模量逐渐增大；当孔壁的弯曲达到一定程度之后，胞孔发生坍塌，在这一阶段曲线表现为应变增大，应力基本不变，称为平台阶段；胞孔完全坍塌之后，孔壁表面开始接触，增大的应变是固体本身受到压缩，材料完全密实，应力迅速上升，进入密实阶段。表2为不同应变率下压缩实验的平台应力和弹性模量，选取应变为0≤ε≤0.05进行线性拟合计算弹性模量，由于平台段与密实段对应的应变区间分界点不明显，选取应变区间为0.1≤ε≤0.4的平均应力作为平台应力。由表2可知，压缩实验的平台应力和弹性模量随着应变率的提高逐渐增大。图5(b)中曲线与坐标横轴围成的面积表示材料单位体积吸收的能量，在不同应变率下平台阶段和密实阶段的应变差距不大，应力差距较大，所以材料的平台阶段决定了材料的吸能，随着应变率的提高，平台应力升高，曲线所围成的面积越大，吸能性能越好。
表 2 不同应变率下压缩实验的平台应力和弹性模量Table 2. Plateau stresses and elastic moduli obtained in compression experiments at different strain rates应变率/s−1 弹性模量/MPa 平台应力/MPa 10−1 1.006 0.30 50 23.896 2.22 100 34.069 3.75 150 74.522 4.50 通过对比中应变率下的单轴拉伸和压缩应力-应变曲线，发现该类软基体混合胞孔材料是一种应变率敏感材料，随着应变率的升高，材料的弹性模量和应力均有大幅度的提高，材料的抗拉强度和抗压强度与应变率呈正相关。相比于准静态条件，材料在中应变率条件下的承载能力显著增强。
2. 多次冲击下可恢复性实验
随着航空航天、工业精密仪器等前沿科技的发展，具有优良抗冲击特性的软材料在工业中的需求越来越高，它不仅要求材料在单次冲击中有出色的抗冲击性能和可恢复特性，还要求同一构件在多次冲击以后仍保持着良好的峰值力、脉冲形状、最大位移、能量吸收等冲击效应。因此，研究软基体混合胞孔材料在不同冲击次数下的冲击响应，对抗多次冲击的软材料的研发和应用具有一定的指导意义。
本文中，选取工业中常用的 EPP和ACF材料分别进行5次反复冲击实验，2种材料制成平板试件的厚度均为30 mm（见图6(a)）。实验设备使用Instron 9340落锤式冲击试验机（见图6(b)），冲头为半球形，冲头的总质量约为10 kg，冲击高度为500 mm，即冲击能量为50 J。比较了不同冲击次数下的力-位移曲线和能量-位移曲线，讨论了2种材料多次冲击下的冲击响应和可恢复特性。常规设备获得的荷载时程曲线不能表现材料冲击下的回弹，为了讨论材料冲击下回弹性能，对落锤冲击试验机的加速度数据进行修正，再对加速度进行2次积分获得材料在冲击过程中的修正位移值。
首先，对比2种材料单次冲击下的力学响应。相同冲击条件下 ACF和EPP的荷载-位移曲线和速度-位移曲线分别见图7~8。 ACF材料的最大荷载峰值力为7 370 N，EPP材料的最大荷载峰值为4316 N；ACF材料冲击过程中的最大位移为10 mm，冲头到最低位置后回弹1.3 mm冲头向上脱离材料，脱离时的反弹速度为0.44 m/s；EPP材料的冲击最大位移达23 mm，回弹位移达12 mm，脱离时反弹速度为1.22 m/s。然后，通过对力-位移曲线数据进行积分得出2种材料在冲击实验过程中吸能随冲击位移的变化，如图9所示。ACF材料在冲击过程中最终吸能为44.7 J，仅有1.3 J的能量重新转化为了冲头的动能，吸能率达到了97.1%，而EPP材料的最终吸能为31.5 J，有12.5 J能量再次被转化为动能，吸能率为71.6%，相比于ACF材料降低了25.5%。由此可以看出，相同实验条件下，ACF材料除了峰值力高于EPP材料之外，材料变形量和能量吸收均优于EPP材料，ACF材料利用更小的变形吸收了更多的能量。
进一步对比5次冲击下ACF材料和EPP材料的吸能性能的稳定性和材料的可恢复性能。从图10可以看出，ACF材料每次冲击的峰值力基本保持不变。冲击位移从第1次的10 mm增大到第5次的10.8 mm，5次冲击位移仅增大8%，随着冲击次数的增加，最大位移的增幅非常缓慢。这说明，ACF材料在多次冲击下，吸能性能稳定，可恢复性良好。在第2次和第3次冲击时，EPP材料的峰值力与首次冲击相比分别增大了37.1%和56.3%，而且后3次的力-位移曲线基本重合。出现这一情况的原因为，EPP材料随着冲击次数增加，冲击部位逐渐发生密实，冲击部位的内部逐渐出现破坏。从图11可以看出，EPP第2次反弹速度急速升高，第3次到第5次反弹速度几乎一致。这说明，第1次冲击已经造成EPP材料部分密实化，第3次冲击已经全部密实，材料吸能能力急剧下降。相比之下，ACF材料的反弹速度基本保持一致，具有良好的抗冲击性能的稳定性。从图12可以看出，ACF的吸能能力更稳定，最大冲击位移和反弹位移几乎不变，而EPP材料在承受第2次冲击时吸能显著下降，从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显。再次说明，第2次冲击后EPP已经密实损坏，不具有抵抗多次冲击的能力。
表3为2种材料在5次冲击下的能量吸收数据比较。通过对比2种材料的单次和多次反复落锤冲击实验结果，发现ACF材料在受到冲击时可以将绝大部分的冲击能量转化为系统的内能，只有少部分能量被重新转化为冲头的动能，使冲头反弹；ACF材料在5次冲击后的吸能能力基本保持不变，ACF材料在冲击后具有良好的可恢复性，多次冲击之后仍能保持稳定的多次抗冲击能力，而EPP材料的吸能能力自第1次冲击后明显下降，EPP材料冲击后可恢复性较弱，抵抗多次冲击的能力较差。
表 3 ACF和EPP材料在不同冲击次数下的能量吸收Table 3. Energy absorption of ACF and EPP materials under different impact timesNo. ACF材料 EPP材料 吸能/J 吸能率/% 吸能率下降/% 吸能/J 吸能率/% 吸能率下降/% 1 44.7 97.1 31.5 71.6 2 45.2 96.6 0.5 26.2 60.0 11.6 3 45.0 96.4 0.7 25.6 58.2 13.4 4 45.0 96.7 0.4 23.8 52.5 19.1 5 45.1 96.7 0.4 25.1 56.3 15.3 3. 结 论
(1)通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对人工软骨仿生超材料的表面微观结构进行了观察。扫描结果发现，材料内部存在着微米级的孔洞，且孔洞间有一定的连通，孔洞表面分布着沟壑状的纳米级凸起，ACF材料是一种具有微纳米结构的软基体混合胞孔材料。该类材料的基体刚度和微纳米结构的组合效应有可能是导致材料吸能能力提高和多次抗冲击性能的关键，未来将对这方面进行更加深入地研究。
(2)通过开展软基体混合胞孔材料在动静态条件下的单轴拉伸和压缩实验，发现该类材料是一种应变率敏感材料，随着应变率的提高，材料的拉伸强度（拉伸）、平台应力（压缩）和弹性模量均逐渐上升。根据中应变率条件下的单轴实验曲线，得到了材料的弹性模量、拉伸强度、断裂应变（拉伸）、平台应力（压缩）等数据，初步建立了材料的单轴拉伸和压缩下的力学性能数据库。
(3)通过落锤冲击实验，对比ACF材料和EPP材料在多次冲击作用下的冲击响应。实验结果发现，ACF材料在50 J能量的冲击作用下，5次冲击的最大峰值力、最大变形量和吸能能力几乎不变，具有良好的可恢复性，具有稳定的多次抗冲击能力；而EPP材料的可恢复性能较弱，抗多次冲击的能力较差。进一步说明，ACF材料是一种吸能性能优异且可抵抗多次冲击的软基体混合胞孔材料。因此，ACF材料在多次冲击防护方面具有广阔的应用前景。
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图 1 人工软骨仿生超材料及其防护产品
Figure 1. Artificial cartilage foam material and its protection products
图 2 人工软骨仿生超材料的表面微观结构形态
Figure 2. Microstructures of artificial cartilage foam material
表 1 不同应变率下人工软骨仿生超材料的拉伸强度和断裂应变
Table 1. Tensile strength and breaking strain of the artificial cartilage foam material in tensile experiments at different strain rates
应变率/s−1 拉伸强度/MPa 断裂应变 10−1 0.910 1.468 40 2.046 1.381 120 2.895 1.131 160 2.969 0.772 
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表 2 不同应变率下压缩实验的平台应力和弹性模量
Table 2. Plateau stresses and elastic moduli obtained in compression experiments at different strain rates
应变率/s−1 弹性模量/MPa 平台应力/MPa 10−1 1.006 0.30 50 23.896 2.22 100 34.069 3.75 150 74.522 4.50
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表 3 ACF和EPP材料在不同冲击次数下的能量吸收
Table 3. Energy absorption of ACF and EPP materials under different impact times
No. ACF材料 EPP材料 吸能/J 吸能率/% 吸能率下降/% 吸能/J 吸能率/% 吸能率下降/% 1 44.7 97.1 31.5 71.6 2 45.2 96.6 0.5 26.2 60.0 11.6 3 45.0 96.4 0.7 25.6 58.2 13.4 4 45.0 96.7 0.4 23.8 52.5 19.1 5 45.1 96.7 0.4 25.1 56.3 15.3
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