郭亞鑫，袁夢琦，錢新明，趙 磊

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.中國人民銀行 營業(yè)管理部,北京 100800)

0 引言

現(xiàn)有防爆服主要分為硬質(zhì)與軟質(zhì)2大類。硬質(zhì)防爆服的防護(hù)層主要由高強(qiáng)合金制成，能夠防護(hù)因爆炸產(chǎn)生的高速破片、超壓及高溫對人體的傷害，但是成衣笨重，通常重30～50 kg，對穿著者的舒適性和靈活性有很大的影響和限制；軟質(zhì)防爆服的防爆層材料主要由高性能纖維堆疊形成，平均重量為7 kg，但其綜合防護(hù)效果較弱[1-3]。美國全國司法學(xué)會在國家防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)(NIJ 115)中指出防護(hù)服的設(shè)計理念是“適當(dāng)防護(hù)+可穿性=挽救生命”，即在達(dá)到防護(hù)性能要求后，可穿戴性是影響穿著頻率的重要因素，因此要避免由于穿著頻率低而造成的額外傷害。雖然現(xiàn)有的防爆服可為警務(wù)人員提供有效保護(hù)，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計理念和制作工藝的限制，其較大的重量、較差的靈活性、極差的透熱透濕性等缺陷極易對裝備人員的體力造成較大消耗。實驗表明穿著厚重防護(hù)服的人員在較低活動量的情況下，30 min內(nèi)表面皮膚溫度及體內(nèi)溫度會有大幅升高，身體產(chǎn)熱量比常溫靜態(tài)時增加3～4倍，輕則中暑、暈眩，重則意識模糊、危及生命[4]。因此亟需研究安全、輕質(zhì)、靈活、性價比高的沖擊波防護(hù)服，有效提升應(yīng)急救援人員的防護(hù)服著裝率，保障應(yīng)急救援人員的生命安全。

本文借鑒自然界中傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)[5-12]，設(shè)計出1種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)[13-20]，確定了不同蜂窩結(jié)構(gòu)的宏觀尺寸與單元結(jié)構(gòu)尺寸，利用3D打印技術(shù)加工成型。通過準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實驗和沖擊波實驗，首先對具有負(fù)泊松比效應(yīng)的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)與正六邊形、正四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征及吸能特性進(jìn)行對比分析；然后研究內(nèi)凹蜂窩防護(hù)基板中單元結(jié)構(gòu)的凹角、尺寸與3D打印原材料等參數(shù)對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及吸能特性的影響，獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后探究不同蜂窩結(jié)構(gòu)在沖擊波加載作用下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為，獲取蜂窩結(jié)構(gòu)的透射沖擊波壓力曲線，進(jìn)而獲取不同蜂窩結(jié)構(gòu)的透射峰值壓力。通過分析實驗數(shù)據(jù)及圖表，比較不同蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波衰減的規(guī)律，進(jìn)一步驗證準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)壓縮力學(xué)實驗的結(jié)論。

1 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究

1.1 蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)行為探究

蜂窩結(jié)構(gòu)是理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有良好的抗沖擊性能，適合做吸能材料，構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)單元主要有正六邊形、正四邊形和內(nèi)凹型，如圖1所示。基于輕質(zhì)高效的個體防護(hù)設(shè)計前提，需保證所研究的蜂窩結(jié)構(gòu)防護(hù)基板總體厚度為10 mm左右，在單元結(jié)構(gòu)尺寸及3D打印原材料不變的情況下，正六邊形的內(nèi)角為120°，正四邊形內(nèi)角為90°，內(nèi)凹六邊形的凹角為30°，單元結(jié)構(gòu)的高度和寬度均為3.40 mm。通過準(zhǔn)靜態(tài)實驗探究不同單元結(jié)構(gòu)對蜂窩力學(xué)性能及吸能特性的影響。不同蜂窩結(jié)構(gòu)防護(hù)基板的尺寸均為60 mm×60 mm×10 mm，豎直方向上均為3個單元結(jié)構(gòu)。

圖1 正六邊形、正四邊形和內(nèi)凹六邊形(從左到右)Fig.1 Regular hexagon, regular quadrilateral and inner concave hexagon (from left to right)

實驗采用MTS Landmark液壓伺服試驗機(jī)測試不同蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的力學(xué)行為及吸能特性。加載速率為3.0 mm/min，加載應(yīng)變率為0.005 s-1，相應(yīng)的采樣率為50 Hz。通過準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試得到3種蜂窩結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可直觀地對比分析出3種蜂窩結(jié)構(gòu)的本構(gòu)特性，如圖2所示。由圖2可知，在整個準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線始終位于正四邊形、正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的上方，即在載荷作用方向上發(fā)生相同應(yīng)變時，內(nèi)凹型蜂窩結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力值更大。在線彈性階段，正六邊形、正四邊形、內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮模量依次為1.02，1.76，3.98 MPa；屈服強(qiáng)度依次為3.18，4.36，6.51 MPa。內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮模量分別是正四邊形、正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的2.26，3.90倍，屈服強(qiáng)度分別是正四邊形、正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的1.49，2.05倍。內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線在線彈性階段最陡峭，拐點最高，壓縮模量和屈服強(qiáng)度均明顯高于正六邊形和正四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，表明其在準(zhǔn)靜態(tài)加載作用下抗變形性能最強(qiáng)，力學(xué)性能最優(yōu)。

圖2 3種蜂窩結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2 Quasi-static compressive stress-strain curves of three honeycomb structures

不同凹角、不同結(jié)構(gòu)單元尺寸、不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3～5所示。由圖3可知，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均位于其他2種內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的上方，即在載荷作用方向上發(fā)生相同應(yīng)變時，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力值更大。在線彈性階段，凹角為15°，22.5°，30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮模量依次為1.93，2.59，3.98 MPa；屈服強(qiáng)度依次為4.81，5.04，6.51 MPa。凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在線彈性階段的應(yīng)力—應(yīng)變曲線最陡峭，拐點最高，壓縮模量和屈服強(qiáng)度都明顯高于其他結(jié)構(gòu)，表明在準(zhǔn)靜態(tài)加載作用下其抗變形性能最強(qiáng)，具有最優(yōu)的力學(xué)性能。

圖3 不同凹角蜂窩結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 Quasi-static compressive stress-strain curves of honeycomb structure with different concave angles

由圖4可知，在準(zhǔn)靜態(tài)加載過程中，具有2.575 mm結(jié)構(gòu)單元尺寸的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變曲線始終位于尺寸為3.40，5.05 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)上方，即發(fā)生相同應(yīng)變時，尺寸為2.575 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力值更高。尺寸為2.575，3.40，5.05 mm 3種不同內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面密度分別為5.74，4.49，3.32 kg/m2。尺寸為2.575 mm的內(nèi)凹峰壓縮模量和屈服強(qiáng)度均高于其他2種尺寸，力學(xué)性能也最優(yōu)。綜合比較，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在3種尺寸參數(shù)中的最優(yōu)選擇為3.40 mm。

圖4 不同尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Quasi-static compressive stress-strain curves of honeycomb structure with different sizes

由圖5可知，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，3D打印原材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變曲線大部分位于不銹鋼合金粉末和高溫合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的上方，即在加載方向上發(fā)生相同應(yīng)變時，材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力值更大。表明在準(zhǔn)靜態(tài)加載作用下其抗變形性能最強(qiáng)，力學(xué)性能最優(yōu)。由于鈦合金粉末密度遠(yuǎn)小于不銹鋼合金粉末與高溫合金粉末，故由鈦合金粉末加工而成的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面密度最小，可以使蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

圖5 不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.5 Quasi-static compressive stress-strain curves of honeycomb structure with different materials

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)吸能特性分析

蜂窩結(jié)構(gòu)在受到準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷作用時，主要通過壓縮過程中單元及整體結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性形變并產(chǎn)生內(nèi)能來耗散吸收的能量。3種蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值如圖6所示，不同蜂窩結(jié)構(gòu)在相同應(yīng)變下的吸能特性有很大差別。由圖6可知，隨著應(yīng)變的增加，3種蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收值均不斷增大，這是由于在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中外載荷對結(jié)構(gòu)不斷做功引起的。其中內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多，分別為正六邊形、正四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的1.55,1.14倍。內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的吸能特性，這同樣歸因于該結(jié)構(gòu)特有的負(fù)泊松比效應(yīng)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，3種蜂窩結(jié)構(gòu)在發(fā)生相同應(yīng)變時，內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的等效密度最大，結(jié)構(gòu)最為致密，發(fā)生進(jìn)一步形變所需的能量最多，故吸收能量也最多。

圖6 3種蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值Fig.6 Energy absorption values corresponding to different strains of three honeycomb structures in quasi-static compression experiments

不同凹角、不同結(jié)構(gòu)單元尺寸、不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值如圖7～9所示。由圖7可知，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多，分別是凹角為22.5°，15°內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的1.04,1.19倍。凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的吸能特性。因此，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多，吸能效果最優(yōu)。

圖7 不同凹角蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值Fig.7 Energy absorption values corresponding to different strains of honeycomb structures with different concave angles in quasi-static compression experiments

由圖8可知，尺寸為2.575 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多，分別是尺寸為3.40，5.05 mm 內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的1.22,2.83倍。通過3種不同尺寸的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面比吸能的對比可知，尺寸為3.40 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的面比吸能最大，說明不同尺寸的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在同等質(zhì)量下，尺寸為3.40 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多。綜合比較，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在3種尺寸參數(shù)中的最優(yōu)選擇為3.40 mm，此時內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較優(yōu)且面密度較小，滿足防護(hù)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

圖8 不同尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值Fig.8 Energy absorption values corresponding to different strains of honeycomb structures with different sizes in quasi-static compression experiments

圖9 不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中不同應(yīng)變對應(yīng)的能量吸收值Fig.9 Energy absorption values corresponding to different strains of honeycomb structures with different materials in quasi-static compression

由圖9可知，3D打印原材料為TC4鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在發(fā)生相同應(yīng)變時對應(yīng)的吸能值均高于材料為不銹鋼合金粉末和高溫合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)。吸收能量值分別為不銹鋼合金粉末與高溫合金粉末內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的1.06，1.50倍。通過3種不同3D打印原材料的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面比吸能的對比可知，材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的面比吸能最大，說明不同材料的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)在同等質(zhì)量下，材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量最多。

2 沖擊波的衰減效應(yīng)研究

2.1 實驗方法及準(zhǔn)備

實驗采用激波管測試不同蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波的衰減效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)高壓氣室的壓力與膜片厚度，使得入射壓力控制為200 kPa，測量范圍是0～3 MPa。滿足本實驗的測試要求，實驗設(shè)備布置如圖10所示。

圖10 實驗設(shè)備布置Fig.10 Layout of experimental equipment

2.2 沖擊波實驗測試結(jié)果與分析

3種不同蜂窩結(jié)構(gòu)的透射壓力曲線如圖11所示，由圖11可知，不同蜂窩結(jié)構(gòu)均對沖擊波有較好的衰減效果，透射沖擊波的波形變化趨勢基本一致，總體上可以分為壓力快速上升和逐漸衰減2個階段。蜂窩結(jié)構(gòu)在受到平面沖擊波作用時，主要通過結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變吸收能量以及對沖擊波的層層反射與透射耗散和衰減沖擊波壓力。正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的透射沖擊波壓力最大，正四邊形結(jié)構(gòu)次之，內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的透射沖擊波壓力最小。內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波的衰減效果與正六邊形、正四邊形結(jié)構(gòu)相比分別提高了20.11%，10.15%。在沖擊波加載過程中，3種結(jié)構(gòu)發(fā)生相同應(yīng)變時，相較于其他2種結(jié)構(gòu)，內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)由于其特有的負(fù)泊松比效應(yīng)，在壓縮的過程中整體結(jié)構(gòu)會向中心聚集，導(dǎo)致等效密度進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)的致密性進(jìn)一步提高，再次發(fā)生形變吸收的能量會進(jìn)一步增多。

圖11 3種不同蜂窩結(jié)構(gòu)的透射壓力曲線Fig.11 Transmission pressure curves of three different honeycomb structures

不同凹角、不同結(jié)構(gòu)單元尺寸、不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中透射沖擊波壓力曲線如圖12～14所示。由圖12可知，凹角為15°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)透射沖擊波壓力最大，凹角為22.5°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)次之，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的透射沖擊波壓力最小。凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波的衰減性能最優(yōu)，衰減效果與凹角為15°，22.5°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)相比分別提高了14.47%，5.49%。結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)實驗與動態(tài)壓縮力學(xué)實驗所得出的結(jié)論，3種角度內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)中，凹角為30°的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)異的吸能效果與沖擊波衰減特性。

圖12 不同角度蜂窩結(jié)構(gòu)的透射沖擊波壓力Fig.12 Transmission shock wave pressure curves of honeycomb structures with different angles

由圖13可知，不同尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊波衰減能力有很大差別。尺寸為5.05 mm內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)透射沖擊波壓力最大，尺寸為3.40 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)次之，尺寸為2.575 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)最小。考慮到尺寸為2.575，3.40，5.05 mm 3種不同內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面密度分別為5.74，4.49，3.32 kg/m2，不同結(jié)構(gòu)在同等質(zhì)量下，尺寸為3.40 mm的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波衰減效率最高，滿足防護(hù)裝備對防護(hù)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

圖13 不同尺寸蜂窩結(jié)構(gòu)的透射壓力Fig.13 Transmission pressure curves of honeycomb structures with different sizes

由圖14可知，3D打印原材料為高溫合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)透射沖擊波壓力最大，不銹鋼粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)次之，鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)最小。原材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波的衰減性能最優(yōu)，衰減效果與原材料為不銹鋼粉末、高溫合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)相比分別提高了7.93%，12.18%。由鈦合金粉末加工而成的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)面密度最小，可以使內(nèi)凹蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)高強(qiáng)。

圖14 不同材料蜂窩結(jié)構(gòu)的透射壓力Fig.14 Transmission pressure curves of honeycomb structures with different materials

3 結(jié)論

1)內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)由于其具有獨特的負(fù)泊松比效應(yīng)，壓縮模量、屈服強(qiáng)度與面比吸能均高于正四邊形和正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，吸能效果最優(yōu)。

2)在沖擊波加載過程中，內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)同樣由于其特有的負(fù)泊松比效應(yīng)而具有最優(yōu)異的沖擊波衰減特性。

3)原材料為鈦合金粉末的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)對沖擊波的衰減性能最優(yōu)，結(jié)構(gòu)面密度最小，使內(nèi)凹蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)高強(qiáng)。