陳 松,習(xí)會(huì)峰,黃世清,王博偉,王小剛
(1. 暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院重大工程災(zāi)害與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632;2. 佛山軟谷科技有限公司,廣東 佛山 528000)
對(duì)具有超高吸能性能材料的開發(fā)一直是安全防護(hù)領(lǐng)域的重點(diǎn),近年來,多孔材料因其特有的孔隙結(jié)構(gòu)而具備優(yōu)異的力學(xué)性能受到防護(hù)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)基體材料的性質(zhì)可將多孔材料分為無機(jī)多孔材料(如泡沫金屬、泡沫混凝土等)和有機(jī)多孔材料(動(dòng)物骨骼、發(fā)泡聚氨酯等),Gibson 等對(duì)多孔材料的特點(diǎn)和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,為多孔材料性能的系統(tǒng)分析奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)多孔材料及衍生結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的變形機(jī)制、能量吸收機(jī)理等已做了大量的研究。由于多孔結(jié)構(gòu)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(dǎo)致這類多孔材料在沖擊荷載下無法重復(fù)使用,對(duì)于復(fù)雜極端情況下的多重沖擊防護(hù)而言缺乏可靠性。為了滿足多次沖擊的防護(hù)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(yīng)用于防護(hù)領(lǐng)域。王必勤使用SEM 觀測(cè)了發(fā)泡橡膠材料的變形形式,發(fā)現(xiàn)材料是利用自身的大變形達(dá)到吸能的目的。景鵬對(duì)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(jī)理。魯林等利用霍普金森桿測(cè)試了聚氨酯的應(yīng)變率效應(yīng)和吸能性能,發(fā)現(xiàn)聚氨酯有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)和良好的吸能特性。楊文葉等和金強(qiáng)維分別對(duì)發(fā)泡聚丙烯(expanded polypropylene,EPP)的拉伸、壓縮性能和吸能性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)EPP 是一種很好的沖擊防護(hù)材料。陳潤峰等使用馬歇特錘擊試驗(yàn)裝置對(duì)人工軟骨仿生材料和傳統(tǒng)緩沖材料進(jìn)行了多次沖擊緩沖實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明軟骨仿生材料的緩沖性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料,并且具有極強(qiáng)的穩(wěn)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(duì)于這類材料的動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)的研究較少,缺乏材料應(yīng)變率效應(yīng)以及多次沖擊可恢復(fù)性的研究,限制了該類材料在防護(hù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
本文中,通過微觀表征技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的方法,對(duì)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和吸能穩(wěn)定特性進(jìn)行表征,聚焦于材料優(yōu)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(wěn)定性,以期為材料在防護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供依據(jù),推動(dòng)該類材料在防護(hù)多次沖擊的構(gòu)件或裝備中的開發(fā)應(yīng)用。
軟基體混合胞孔材料選取佛山軟谷科技有限公司開發(fā)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(fā)而成的,目前已經(jīng)開發(fā)了多種人體防護(hù)產(chǎn)品,如圖1(b)所示。為了更好地研究材料的力學(xué)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(cè)人工軟骨仿生超材料的表面微觀結(jié)構(gòu)形態(tài),如圖2 所示。
圖1 人工軟骨仿生超材料及其防護(hù)產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(jié)果表明,該材料是一種具有微納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形態(tài)Fig. 2 Microstructures of artificial cartilage foam material
1.2.1 試件制備和實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)材料選擇ACF38 材料,材料密度為380 kg/m。壓縮實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中使用厚度為5 mm 的啞鈴形試件,試件截面的詳細(xì)尺寸如圖3(b)所示。為保證材料密度和孔隙率的一致性,實(shí)驗(yàn)所使用的材料均為同批次制備的。
圖3 實(shí)驗(yàn)試件(單位:mm)Fig. 3 Experimental specimens (unit: mm)
實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用MTS-810 伺服材料試驗(yàn)機(jī)和Zwick HTM16020 高速拉伸/壓縮試驗(yàn)機(jī),如圖4 所示。兩者均為油壓動(dòng)力系統(tǒng),可以提供恒定的拉力/壓力荷載。MTS-810 伺服材料試驗(yàn)機(jī)用于進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,Zwick HTM16020 高速拉伸/壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行中應(yīng)變率條件下的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn),該試驗(yàn)機(jī)的最大加載速度可以達(dá)到25 m/s。
圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig. 4 Experimental equipments
1.2.2 實(shí)驗(yàn)條件及過程
在室溫環(huán)境下,對(duì)ACF 材料分別進(jìn)行應(yīng)變率為10、40、120 和160 s的拉伸實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變率為10、50、100 和150 s的壓縮實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)加載方式為位移加載,材料斷裂(拉伸)或達(dá)到既定位移(壓縮)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。應(yīng)變率的控制是通過改變加載速度實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)變率為加載速度與試件的標(biāo)距(拉伸)或厚度(壓縮)的比值。記錄實(shí)驗(yàn)過程中力和位移的時(shí)程曲線,數(shù)據(jù)處理后獲得名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖5 所示。
圖5 單軸實(shí)驗(yàn)曲線Fig. 5 Uniaxial experimental curves
通過對(duì)比不同加載速度下ACF 材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,發(fā)現(xiàn)ACF 材料在不同加載速度下的拉伸力學(xué)性能有明顯的區(qū)別,且表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng),見圖5(a)。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢(shì)上來看,ACF 材料在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近線彈性,但是隨著應(yīng)變率的提高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性。當(dāng)材料的拉伸應(yīng)變小于0.2 時(shí),材料均處于彈性階段,而中應(yīng)變率下ACF 材料的彈性模量基本相同,但均明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)下的彈性模量;當(dāng)拉伸應(yīng)變大于0.2 時(shí),曲線的走勢(shì)隨著應(yīng)變率不同而逐漸發(fā)生變化,應(yīng)變率越大,屈服強(qiáng)度越大。材料在不同應(yīng)變率條件下的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變見表1,數(shù)據(jù)顯示,隨著應(yīng)變率的提升,ACF 材料的拉伸強(qiáng)度明顯提高,斷裂應(yīng)變明顯下降。ACF 材料的拉伸強(qiáng)度方面,相比于準(zhǔn)靜態(tài)條件下,應(yīng)變率為40、120 和160 s的抗拉強(qiáng)度分別提升到準(zhǔn)靜載條件下的2 2 4.8%、318.1%和326.3%;應(yīng)變率為40、120 和160 s的斷裂應(yīng)變分別降低到準(zhǔn)靜載條件下的94.1%、77.0%和53.6%。整體來說,準(zhǔn)靜載下ACF 材料的抗拉強(qiáng)度為0.910 MPa,材料的拉伸性能較弱,但隨著應(yīng)變率的升高逐漸增強(qiáng)。
表1 不同應(yīng)變率下人工軟骨仿生超材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)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(shí)驗(yàn)類似,ACF 材料壓縮性能具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),隨著應(yīng)變率的提高,應(yīng)力水平逐漸上升,壓縮性能增強(qiáng)。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下,壓縮應(yīng)變達(dá)到0.65 之前應(yīng)力水平較低且升高緩慢,應(yīng)變達(dá)到0.65~0.80 時(shí)應(yīng)力迅速升高。在中應(yīng)變率加載條件下,應(yīng)變達(dá)到0.1 之前壓縮應(yīng)力升高相對(duì)較快,應(yīng)變達(dá)到0.1~0.4 時(shí)應(yīng)力提高較慢,在0.4 之后應(yīng)力的增長速度逐漸提升。不同應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢(shì)均表現(xiàn)出明顯的三段式曲線:在低應(yīng)力時(shí),材料的主要變形為孔壁的彎曲,稱為線彈性階段,隨著應(yīng)變率的提高,ACF 材料的壓縮彈性模量逐漸增大;當(dāng)孔壁的彎曲達(dá)到一定程度之后,胞孔發(fā)生坍塌,在這一階段曲線表現(xiàn)為應(yīng)變?cè)龃?,?yīng)力基本不變,稱為平臺(tái)階段;胞孔完全坍塌之后,孔壁表面開始接觸,增大的應(yīng)變是固體本身受到壓縮,材料完全密實(shí),應(yīng)力迅速上升,進(jìn)入密實(shí)階段。表2 為不同應(yīng)變率下壓縮實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)應(yīng)力和彈性模量,選取應(yīng)變?yōu)?≤ε≤0.05 進(jìn)行線性擬合計(jì)算彈性模量,由于平臺(tái)段與密實(shí)段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變區(qū)間分界點(diǎn)不明顯,選取應(yīng)變區(qū)間為0.1≤ε≤0.4 的平均應(yīng)力作為平臺(tái)應(yīng)力。由表2 可知,壓縮實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)應(yīng)力和彈性模量隨著應(yīng)變率的提高逐漸增大。圖5(b)中曲線與坐標(biāo)橫軸圍成的面積表示材料單位體積吸收的能量,在不同應(yīng)變率下平臺(tái)階段和密實(shí)階段的應(yīng)變差距不大,應(yīng)力差距較大,所以材料的平臺(tái)階段決定了材料的吸能,隨著應(yīng)變率的提高,平臺(tái)應(yīng)力升高,曲線所圍成的面積越大,吸能性能越好。
表2 不同應(yīng)變率下壓縮實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)應(yīng)力和彈性模量Table 2 Plateau stresses and elastic moduli obtained in compression experiments at different strain rates
通過對(duì)比中應(yīng)變率下的單軸拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,發(fā)現(xiàn)該類軟基體混合胞孔材料是一種應(yīng)變率敏感材料,隨著應(yīng)變率的升高,材料的彈性模量和應(yīng)力均有大幅度的提高,材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率呈正相關(guān)。相比于準(zhǔn)靜態(tài)條件,材料在中應(yīng)變率條件下的承載能力顯著增強(qiáng)。
隨著航空航天、工業(yè)精密儀器等前沿科技的發(fā)展,具有優(yōu)良抗沖擊特性的軟材料在工業(yè)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(fù)特性,還要求同一構(gòu)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(yīng)。因此,研究軟基體混合胞孔材料在不同沖擊次數(shù)下的沖擊響應(yīng),對(duì)抗多次沖擊的軟材料的研發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
本文中,選取工業(yè)中常用的 EPP 和ACF 材料分別進(jìn)行5 次反復(fù)沖擊實(shí)驗(yàn),2 種材料制成平板試件的厚度均為30 mm(見圖6(a))。實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用Instron 9340 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(見圖6(b)),沖頭為半球形,沖頭的總質(zhì)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(shù)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(yīng)和可恢復(fù)特性。常規(guī)設(shè)備獲得的荷載時(shí)程曲線不能表現(xiàn)材料沖擊下的回彈,為了討論材料沖擊下回彈性能,對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,再對(duì)加速度進(jìn)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(shí)驗(yàn)Fig. 6 Drop-weight impact experiment
首先,對(duì)比2 種材料單次沖擊下的力學(xué)響應(yīng)。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(shí)的反彈速度為0.44 m/s;EPP 材料的沖擊最大位移達(dá)23 mm,回彈位移達(dá)12 mm,脫離時(shí)反彈速度為1.22 m/s。然后,通過對(duì)力-位移曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行積分得出2 種材料在沖擊實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)化為了沖頭的動(dòng)能,吸能率達(dá)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(zhuǎn)化為動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(yōu)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(jìn)一步對(duì)比5 次沖擊下ACF 材料和EPP 材料的吸能性能的穩(wěn)定性和材料的可恢復(fù)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(shù)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(wěn)定,可恢復(fù)性良好。在第2 次和第3 次沖擊時(shí),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(xiàn)這一情況的原因?yàn)?,EPP 材料隨著沖擊次數(shù)增加,沖擊部位逐漸發(fā)生密實(shí),沖擊部位的內(nèi)部逐漸出現(xiàn)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(jīng)造成EPP 材料部分密實(shí)化,第3 次沖擊已經(jīng)全部密實(shí),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(wěn)定性。從圖12 可以看出,ACF 的吸能能力更穩(wěn)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(shí)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(jīng)密實(shí)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(shù)據(jù)比較。通過對(duì)比2 種材料的單次和多次反復(fù)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)ACF 材料在受到?jīng)_擊時(shí)可以將絕大部分的沖擊能量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能,只有少部分能量被重新轉(zhuǎn)化為沖頭的動(dòng)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(fù)性,多次沖擊之后仍能保持穩(wěn)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(fù)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(shù)下的能量吸收Table 3 Energy absorption of ACF and EPP materials under different impact times
(1)通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)人工軟骨仿生超材料的表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn),材料內(nèi)部存在著微米級(jí)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(jí)凸起,ACF 材料是一種具有微納米結(jié)構(gòu)的軟基體混合胞孔材料。該類材料的基體剛度和微納米結(jié)構(gòu)的組合效應(yīng)有可能是導(dǎo)致材料吸能能力提高和多次抗沖擊性能的關(guān)鍵,未來將對(duì)這方面進(jìn)行更加深入地研究。
(2)通過開展軟基體混合胞孔材料在動(dòng)靜態(tài)條件下的單軸拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該類材料是一種應(yīng)變率敏感材料,隨著應(yīng)變率的提高,材料的拉伸強(qiáng)度(拉伸)、平臺(tái)應(yīng)力(壓縮)和彈性模量均逐漸上升。根據(jù)中應(yīng)變率條件下的單軸實(shí)驗(yàn)曲線,得到了材料的彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變(拉伸)、平臺(tái)應(yīng)力(壓縮)等數(shù)據(jù),初步建立了材料的單軸拉伸和壓縮下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫。
(3)通過落錘沖擊實(shí)驗(yàn),對(duì)比ACF 材料和EPP 材料在多次沖擊作用下的沖擊響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(fù)性,具有穩(wěn)定的多次抗沖擊能力;而EPP 材料的可恢復(fù)性能較弱,抗多次沖擊的能力較差。進(jìn)一步說明,ACF 材料是一種吸能性能優(yōu)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(hù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。