超高吸能性能材料的開發(fā)是安全防護(hù)領(lǐng)域中的重點(diǎn)，其在工業(yè)活動(dòng)中也扮演著重要角色。

隨著智能制造業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)機(jī)器生產(chǎn)的精細(xì)度要求越來越高，尤其醫(yī)療機(jī)械、機(jī)器人、電子芯片和精密儀器的生產(chǎn)，需要配置抗沖擊性更高的吸能材料或吸能裝置，以提高生產(chǎn)精細(xì)度、延長(zhǎng)生產(chǎn)機(jī)器的使用壽命。

對(duì)于交通領(lǐng)域，抗沖擊性高的吸能材料也至關(guān)重要，在地鐵、火車和高鐵的軌道鐵道床鋪設(shè)吸能材料，減少列車行駛振動(dòng)的同時(shí)降低噪音，為人們開啟平穩(wěn)超靜音的鐵路之旅，在航空返回艙中內(nèi)置吸能材料，也可達(dá)到減震隔振效果，保護(hù)人體不受沖擊力的傷害。

在頻繁的沖擊荷載下，泡沫金屬和泡沫混凝土此類單孔結(jié)構(gòu)材料由于無法重復(fù)使用，不適合用于沖擊防護(hù)，而以聚氨酯、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。

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ACF仿生軟骨超材料是一種三維超微結(jié)構(gòu)的仿生吸能材料，也是一種新型的軟基體混合胞孔材料，為了探索ACF材料的力學(xué)性能，研究該類材料在多次沖擊下的沖擊響應(yīng)和材料的可恢復(fù)性，?從而推動(dòng)該材料在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，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)室的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與佛山軟谷科技有限公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)ACF材料采用微觀表征技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)ACF材料的表面微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和吸能穩(wěn)定特性進(jìn)行表征，并討論ACF材料在多次沖擊之后的吸能性和穩(wěn)定性。研究成果于力學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)性學(xué)術(shù)期刊《爆炸與沖擊》發(fā)表，論文標(biāo)題為。

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ACF仿生軟骨超材料的表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)

ACF仿生軟骨超材料由佛山軟谷科技有限公司軟谷實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，具有極限緩沖吸能的特性，可達(dá)到強(qiáng)力沖擊防護(hù)、隔振減震的效果。

本文為更好研究材料的力學(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)，圖2(a)顯示ACF材料表面分布著圓形的胞孔，并且內(nèi)部部分孔洞之間相互連通，與一般的閉孔或開孔材料有區(qū)別，其孔洞內(nèi)部又有凸起（凸起形態(tài)可見圖2(b)），這些凸起的高度存在納米尺度。因此，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。

ACF仿生軟骨超材料的拉伸和壓縮力學(xué)性能

本文采取的ACF仿生軟骨超材料是軟谷實(shí)驗(yàn)室SH-38等級(jí)的材料，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)。

本文對(duì) ACF 材料分別進(jìn)行應(yīng)變率為 10?3、40、120 和 160 s?1 的拉伸實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變率為 10?3、50、100 和 150 s?1 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)。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。

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)，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。尤其拉伸應(yīng)變大于 0.2 時(shí)，曲線走勢(shì)比較明顯，應(yīng)變率越大，屈服強(qiáng)度越大。

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ACF 材料壓縮性能與拉伸性能相同，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率的提高，應(yīng)力水平和彈性模量逐漸上升，壓縮性能增強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)曲線圖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。? ? ? ? ?

以上的實(shí)驗(yàn)表明，ACF仿生軟骨超材料是一種高速應(yīng)變率敏感材料（也叫速敏變性材料、高應(yīng)變材料），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)。

ACF仿生軟骨超材料的抗沖擊性和抗形變壓縮性

? ? ? ? ?工業(yè)活動(dòng)中常用到EPP材料以對(duì)抗沖擊性，因此本文將EPP與ACF超材料對(duì)比作沖擊實(shí)驗(yàn)。在第一次的力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，記載了50J沖擊力的條件下 ACF 和EPP 的荷載-位移曲線和速度-位移曲線數(shù)據(jù)，得知ACF材料的最大荷載峰值力遠(yuǎn)高于EPP的最大荷載峰值力，且ACF 材料沖擊過程中的最大位移、回彈、反彈速度小于/低于EPP。接著通過這兩張曲線圖分析推斷吸能隨沖擊位移的變化曲線圖，得知ACF超材料在沖擊過程中吸能率達(dá)到了 97.1%，僅有 1.3J的能量重新轉(zhuǎn)化為了沖頭的動(dòng)能，而EPP 材料吸能率為71.6%，有 12.5J能量再次被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

因此，實(shí)驗(yàn)證明，ACF超材料的吸能效果遠(yuǎn)超EPP。ACF超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。

吸能性實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，本文進(jìn)一步對(duì)比2種材料的吸能性能的穩(wěn)定性和材料的可恢復(fù)性。通過觀察2種材料在5次沖擊力的位移增幅和反彈速度，得到的結(jié)論是：ACF超材料在多次沖擊時(shí)吸能性能仍保持穩(wěn)定，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，在第 3次到第5次能量吸收下降不明顯，這也說明，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。??

ACF超材料的可恢復(fù)性能也很強(qiáng)。經(jīng)過2種對(duì)比材料所采取的單次和多次反復(fù)錘擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ACF大部分的沖擊能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并且在多次沖擊后其吸能能力基本保持不變，證明可恢復(fù)性良好。反之，EPP材料自第1次沖擊后吸能性能顯著下降，抗沖擊性較差，可恢復(fù)性較差。

第一次沖擊下ACF吸能率高達(dá)97.1%，第5次沖擊下吸能率達(dá)96.7%，兩者數(shù)值接近。

通過一系列實(shí)驗(yàn)，證明ACF超材料是一種高速應(yīng)變率敏感的材料，也是一種吸能性能優(yōu)異且可抵抗多次沖擊的軟基體混合胞孔材料，且各方面性能優(yōu)于傳統(tǒng)的吸能材料EPP。

此研究成果為軟基體混合胞孔材料在多次沖擊防護(hù)中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)精密儀器、軌道交通、航空航天等前沿科技領(lǐng)域中的研究與發(fā)展。目前，ACF仿生軟骨超材料已相應(yīng)投放民用和工業(yè)生產(chǎn)中，在人體運(yùn)動(dòng)防護(hù)和醫(yī)療康復(fù)輔助、電子產(chǎn)品防護(hù)、工業(yè)和家電隔振降噪、交通工具減震隔振等領(lǐng)域頗有成果，市場(chǎng)潛力巨大。