多孔彈性復(fù)合材料研制及其吸能緩沖特性

張錦明， 張合， 戴可人， 蔚達(dá)， 楊本強(qiáng)

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)防御工事的增強(qiáng)，侵徹武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演的角色越來越重要。作為整個(gè)武器系統(tǒng)的末端控制模塊，引信能否正常作用影響著整個(gè)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)侵徹問題做了大量的研究工作，在戰(zhàn)斗部侵徹過程中的阻力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方面取得了很多研究成果，但是針對(duì)戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部引信與戰(zhàn)斗部的耦合機(jī)理研究較少。戰(zhàn)斗部在侵徹目標(biāo)過程中會(huì)受到瞬時(shí)高幅值沖擊，產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力波沿彈體傳遞到彈體內(nèi)的引信，導(dǎo)致引信內(nèi)部電子器件在應(yīng)力作用下受到損傷，發(fā)生失效。尤其是在侵徹多層目標(biāo)過程中，引信將會(huì)經(jīng)歷多次強(qiáng)沖擊加載過程，內(nèi)部元器件的工作環(huán)境更加惡劣。因此，針對(duì)引信防護(hù)措施的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

沖擊隔離是引信常用的防護(hù)措施，其防護(hù)原理是通過采用合適的緩沖材料將引信與戰(zhàn)斗部隔離，避免應(yīng)力直接作用在引信上。緩沖材料因?yàn)樽陨淼膹椝苄宰冃文芰σ约白枘嶙饔?，可以吸收侵徹過程中作用在引信上的沖擊載荷，從而降低引信內(nèi)部元器件在侵徹過程中受到的應(yīng)力，達(dá)到緩沖防護(hù)的目的。

目前，侵徹引信常用的緩沖防護(hù)材料主要是多孔材料和彈性聚合物材料。泡沫金屬是多孔材料中占比比較大的一類，因?yàn)槠渥陨碇亓枯p且在變形過程中可以吸收大量能量，引起各界廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫金屬的靜態(tài)壓縮和能量吸收特性進(jìn)行了大量的研究，Michailidis等研究了泡沫金屬的變形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬主要通過泡沫單元壁的屈服、塑性彎曲和曲折斷裂吸收能量。徐蓬朝等利用有限元仿真軟件ANSYS/LS-DYNA研究了泡沫鋁墊片在引信防護(hù)中的緩沖能力，仿真結(jié)果表明6mm泡沫鋁墊片可以有效吸收能量。徐鵬等利用泡沫鋁對(duì)彈載記錄儀進(jìn)行緩沖防護(hù)，并在實(shí)彈侵徹混凝土試驗(yàn)中成功回收數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了多孔金屬材料優(yōu)秀的緩沖特性。大量的理論和試驗(yàn)研究表明，盡管多孔金屬材料吸能特性較好，但是由于在第1次沖擊過程中發(fā)生了不可逆的塑性形變，導(dǎo)致在后續(xù)沖擊過程中的吸能特性下降。因此，多孔金屬材料僅適用于單次沖擊過程，在多次沖擊中的緩沖吸能表現(xiàn)并不能滿足多層侵徹過程中的防護(hù)需求。

彈性聚合物材料因?yàn)樽陨砭哂辛己玫膬?nèi)阻尼以及高彈性，被廣泛用作緩沖墊、減振器以及能量吸收器，用于隔離環(huán)境振動(dòng)和吸收沖擊能量。Alsakarneh等利用橡膠作為緩沖材料保護(hù)沖擊環(huán)境中的嵌入式單封裝系統(tǒng)設(shè)備，研究結(jié)果表明橡膠顯著降低了核心封裝上的應(yīng)力。徐蕭等、陳魯疆等在引信防護(hù)研究過程中采用橡膠作為引信的緩沖材料，仿真結(jié)果表明橡膠在高速侵徹過程中發(fā)揮了重要的緩沖效果，降低了引信承受的過載。聞利群等分析了多孔泡沫鋁材料和橡膠材料作為緩沖材料對(duì)測(cè)試儀器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響情況，結(jié)果表明盡管彈性聚合物材料的可恢復(fù)性能較好，但是在單次沖擊過程中的吸能特性不如多孔材料。

對(duì)于多次強(qiáng)沖擊加載過程而言，緩沖材料需要在沖擊過程中發(fā)揮良好的吸能緩沖作用，并在力卸載之后能夠具備一定的自恢復(fù)性，便于自身結(jié)構(gòu)在下次沖擊過程中再次發(fā)揮良好的吸能特性。因此，對(duì)于多次沖擊場(chǎng)景而言，理想的緩沖材料應(yīng)該兼具高吸能特性和可恢復(fù)特性兩點(diǎn)。為了結(jié)合多孔材料的高吸能特性以及彈性聚合物的可恢復(fù)特性，本文提出一種利用彈性聚合物改性多孔材料的材料設(shè)計(jì)思路。首先通過設(shè)計(jì)制備工藝，將多孔材料顆粒與彈性聚合物混煉成膜，使彈性聚合物在薄膜內(nèi)部形成微觀纖維網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成空間骨架結(jié)構(gòu)，將多孔材料顆粒包裹在一起。然后通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察彈性聚合物占比對(duì)微網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成影響，并結(jié)合孔隙率測(cè)試以及多次靜壓試驗(yàn)分析彈性聚合物質(zhì)量占比對(duì)復(fù)合薄膜的孔隙率和可恢復(fù)特性的影響。最后，利用馬歇特沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)薄膜材料具有良好的多次緩沖吸能特性，為緩沖防護(hù)材料設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

1 多孔彈性復(fù)合材料制備

1.1 原材料選擇

為了制備具有吸能特性和可恢復(fù)特性的復(fù)合材料，對(duì)薄膜的材料體系進(jìn)行設(shè)計(jì)?；钚蕴坎牧鲜且环N常見的具有孔隙結(jié)構(gòu)材料，比表面積大且價(jià)格低廉，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。而在彈性材料領(lǐng)域，三元乙丙(EPDM)橡膠因?yàn)槠鋬?yōu)異的可恢復(fù)特性以及平民的價(jià)格，成為不可或缺的重要材料。因此，為了降低制備工藝難度與成本，本文基于活性炭- EPDM橡膠復(fù)合材料體系，研究具有可恢復(fù)特性的多孔薄膜材料，具體材料如表1所示。

表1 主要材料及規(guī)格Tab.1 Main materials and their specifications

1.2 制備工藝

在活性炭- EPDM橡膠復(fù)合材料體系框架下，為使材料同時(shí)具備多孔性與可恢復(fù)性特性，對(duì)材料的制備工藝進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。為形成多孔結(jié)構(gòu)的薄膜，利用混煉成膜工藝使活性炭干粉成型；通過對(duì)薄膜材料施加橫向剪切力等技術(shù)手段，使其中彈性組分形成微觀空間網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，改變材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，使材料力學(xué)特性產(chǎn)生本質(zhì)改變。具體而言，本文提出的復(fù)合材料制備新工藝，如圖1所示，分為以下3個(gè)步驟：

圖1 制備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of material preparation

1)首先將活性炭和聚偏二氟乙烯(粘結(jié)劑)以干粉形式混合，并放進(jìn)球磨機(jī)混合與研磨，二者質(zhì)量比為85%∶15%。

2)調(diào)整開煉機(jī)的溫度和轉(zhuǎn)速(為左邊滾輪的轉(zhuǎn)速，為右邊滾輪的轉(zhuǎn)速)，將混合好的粉末送入開煉機(jī)中，利用開煉機(jī)兩個(gè)滾輪之間的壓力作用和高溫作用，使得活性炭粉末與粘結(jié)劑形成碳膜。

3)調(diào)整開煉機(jī)的溫度和轉(zhuǎn)速，將成形的純碳膜與EPDM橡膠送入開煉機(jī)中，利用高溫和兩輪間較大轉(zhuǎn)速差形成的剪切力使橡膠與純碳膜形成具有彈性的新復(fù)合薄膜。

為了分析加入EPDM質(zhì)量占比對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)以及性能的影響，本文制備了7種不同質(zhì)量占比的薄膜材料，如圖2所示，編號(hào)為M0～M6，直徑為(42±0.2)mm，厚度為(2.0±0.1)mm，具體比例如表2所示。表2中，M0樣品為純活性炭薄膜，其余6種為含有不同EPDM質(zhì)量占比的復(fù)合薄膜。

圖2 含不同EPDM質(zhì)量占比的薄膜Fig.2 Films with different mass proportions of EPDM

表2 含不同EPDM質(zhì)量占比的材料樣品

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試方法

樣品的形貌特征通過美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta FEG 250型SEM來獲取，驗(yàn)證EPDM質(zhì)量占比對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。利用美國康塔儀器公司生產(chǎn)的PoreMaster GT60型壓汞儀對(duì)樣品進(jìn)行孔隙率分析，進(jìn)一步研究EPDM質(zhì)量占比對(duì)內(nèi)部孔隙率的影響。利用長(zhǎng)春試驗(yàn)中心生產(chǎn)的CSS-44100型萬能電子試驗(yàn)機(jī)，對(duì)樣品進(jìn)行多次靜壓加載試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，研究材料在壓力卸載后的自恢復(fù)性能。

為驗(yàn)證具有彈性纖維網(wǎng)狀包絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜在多次沖擊中的緩沖吸能優(yōu)勢(shì)，采用南京理工大學(xué)生產(chǎn)的MT001型馬歇特?fù)翦N試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。如圖3所示，馬歇特?fù)翦N試驗(yàn)系統(tǒng)主要由錘頭、錘柄、棘爪、棘輪、鐵砧和配重等組成，通過釋放棘爪，錘頭在配重的重力作用下加速運(yùn)動(dòng)，以一定的速度撞擊鐵砧，產(chǎn)生減加速度(即過載)。通過調(diào)整錘頭釋放的高度，可獲得不同的過載。

圖5 含不同EPDM質(zhì)量占比的多孔材料SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of porous materials with different mass proportions of EPDM

圖3 馬歇特?fù)翦N試驗(yàn)裝置試驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of Machete hammer test

本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的試驗(yàn)裝置，用于研究薄膜材料在沖擊過程中的緩沖吸能特性。試驗(yàn)裝置由底座、兵器214所生產(chǎn)的BM1001型高值加速度傳感器、超硬鋁質(zhì)量塊和螺紋蓋組成，通過底座的螺紋結(jié)構(gòu)固定在錘頭上。高值加速度傳感器安裝在質(zhì)量塊內(nèi)部，并利用密度為1.2 g/cm的黑色環(huán)氧樹脂灌封成一個(gè)整體，用于輸出測(cè)試過程中質(zhì)量塊承受的過載。質(zhì)量塊安裝在底座上，上下兩側(cè)均墊有待測(cè)試材料。同時(shí)，在研究EPDM質(zhì)量占比對(duì)于材料的吸能緩沖特性影響過程中，為了控制變量，保證前后試驗(yàn)中材料厚度、錘頭釋放高度等其他影響因素保持相對(duì)一致。

圖4 沖擊信號(hào)采集試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure drawing of signal acquisition device

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 EPDM質(zhì)量占比對(duì)復(fù)合薄膜材料結(jié)構(gòu)的影響

為觀察加入的EPDM質(zhì)量占比對(duì)多孔活性炭薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，并驗(yàn)證彈性纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依次對(duì)M0～M6 7種樣品進(jìn)行SEM試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)是純活性炭薄膜M0樣品的SEM照片，經(jīng)過10 000倍放大后可以看到，在微觀狀態(tài)下活性炭顆粒之間存在大量孔隙，可見純活性炭薄膜是一種內(nèi)部孔隙比較豐富的材料。圖5(b)～圖5(e)分別是M1、M2、M3、M4 樣品的SEM照片，從圖上可以看到橡膠在剪切力和高溫反復(fù)作用下發(fā)生了形變，形成大量細(xì)長(zhǎng)的橡膠纖維附著在活性炭顆粒上，將活性炭顆粒相互連接在一起，形成了微網(wǎng)狀包絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)加入的EPDM質(zhì)量占比為5%時(shí)，橡膠纖維相對(duì)比較少，但是當(dāng)EPDM質(zhì)量占比達(dá)到10%時(shí)，活性炭顆粒之間的橡膠纖維網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很豐富。而當(dāng)EPDM質(zhì)量占比達(dá)到20%時(shí)，雖然微網(wǎng)狀包絡(luò)結(jié)構(gòu)依然存在，但是有部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)小部分空間被橡膠填充現(xiàn)象。圖5(f)～圖5(g)分別是M5和M6樣品的SEM照片，當(dāng)EPDM質(zhì)量占比達(dá)到30%時(shí)，在5 000倍放大下可以看到活性炭顆粒被橡膠覆蓋，內(nèi)部原有的孔隙結(jié)構(gòu)也被橡膠填充滿，失去了多孔結(jié)構(gòu)的特征。由以上分析可知，加入適量的橡膠可以幫助多孔炭膜材料形成多孔微網(wǎng)狀包絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是一旦加入的橡膠超量，該結(jié)構(gòu)會(huì)被過量的橡膠破壞。

3.2 EPDM質(zhì)量占比對(duì)復(fù)合薄膜材料孔隙率的影響

圖6 不同EPDM質(zhì)量占比下復(fù)合材料的孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of samples containing different mass proportions of EPDM

通過上述SEM照片中的形貌觀察結(jié)果可得，制備出的活性炭薄膜復(fù)合材料的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)?？紤]到多孔材料可以通過內(nèi)部孔隙壓縮變形來吸收能量，因此孔隙體積占比(即孔隙率)的大小直接影響材料的吸能特性。為進(jìn)一步確定加入EPDM橡膠材料對(duì)復(fù)合材料的孔徑分布情況以及整體孔隙率的影響，利用壓汞儀對(duì)M0～M6這7種樣品進(jìn)行孔隙率測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6為M0～M6 7種樣品的孔徑分布圖(對(duì)數(shù)形式)，其中為孔直徑，為單位質(zhì)量樣品壓入汞體積，試驗(yàn)記錄的孔徑范圍為0.01～200 μm. 從圖6中可以看出：當(dāng)EPDM質(zhì)量占比為10%時(shí)，薄膜的孔徑分布變化很小，整體位置幾乎沒有變化；而當(dāng)EPDM質(zhì)量占比達(dá)到15%時(shí)，薄膜的孔徑分布開始左移，孔徑較大的孔對(duì)應(yīng)體積減小，說明材料的孔徑逐漸變小；隨著EPDM質(zhì)量占比繼續(xù)增大，薄膜的孔徑分布繼續(xù)左移，各個(gè)孔徑對(duì)應(yīng)的體積大幅減小。根據(jù)壓汞儀測(cè)試結(jié)果，可獲得單位質(zhì)量樣品壓入汞體積和樣品密度，如表3所示。

表3 不同EPDM質(zhì)量占比下復(fù)合材料的相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant parameters of films with different mass proportions of EPDM

孔隙率的計(jì)算公式為

(1)

經(jīng)計(jì)算，可得M0～M6樣品的孔隙率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同EPDM質(zhì)量占比下復(fù)合材料的孔隙率Fig.7 Porosities of samples with different mass proportions of EPDM

按照SEM觀察結(jié)果將7種樣品分成3組依次分析，第1組為純活性炭膜M0樣品，第2組為具有彈性纖維包絡(luò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的M1、M2、M3、M4樣品，第3組為孔隙結(jié)構(gòu)被破壞的M5和M6樣品。

首先分析第1組M0樣品，由圖7可知未添加EPDM橡膠時(shí)，純活性炭薄膜試樣的孔隙率高達(dá)50.678%，超過了自身體積的一半，可見活性炭薄膜是一類孔隙率較高的多孔材料，與SEM照片觀察的表征現(xiàn)象相符。然后是第2組M1、M2、M3、M4樣品，孔隙率分別為48.356%、45.608%、37.175%和32.62%，由以上數(shù)據(jù)可以看到雖然加入了大量的橡膠，但是復(fù)合薄膜材料依然保持了較高的孔隙率，與圖5(b)～圖5(e)中的表征現(xiàn)象相符。且隨著EPDM橡膠比例的增加，薄膜的孔隙率逐漸減小。與M0樣品相比，加入10%橡膠后，M1樣品的孔隙率僅僅下降了5.07%；而與M2樣品相比，同樣是增加了10%的橡膠，M4的孔隙率下降了12.988%?？梢娍紫堵试诔跗诩尤肷倭肯鹉z時(shí)下降速度較慢，但是隨著EPDM質(zhì)量占比繼續(xù)增大后，后期下降速度較快。最后分析第3組M5和M6樣品，當(dāng)EPDM質(zhì)量占比大于20%時(shí)，M5、M6樣品的孔隙率僅分別為21.716%、14.236%，與M0樣品高達(dá)50.678%的孔隙率相比，孔隙率下降幅度較大，說明內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，失去了多孔結(jié)構(gòu)的特征，與圖5(f)～圖5(g)表征現(xiàn)象相符。

3.3 EPDM質(zhì)量占比對(duì)復(fù)合薄膜材料可恢復(fù)特性影響

多孔薄膜材料的吸能特性與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此薄膜材料在經(jīng)歷沖擊后自身結(jié)構(gòu)能夠恢復(fù)的程度，將會(huì)影響到材料在下一次沖擊歷程中的緩沖吸能表現(xiàn)。為分析復(fù)合薄膜材料在壓力卸載后的自恢復(fù)性能，利用萬能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)M0～M6 7種樣品進(jìn)行多次靜壓加載試驗(yàn)?？紤]到圖4中設(shè)計(jì)的質(zhì)量塊質(zhì)量為56 g，尺寸為36×20.5 mm，此時(shí)峰值壓力為23 766 g，經(jīng)計(jì)算可得質(zhì)量塊對(duì)材料產(chǎn)生的峰值壓力為12.81 MPa，因此這里選擇將12.81 MPa作為多次加載的上限壓力。

圖8(a)～圖8(c)分別是M0樣品(純活性炭薄膜，孔隙結(jié)構(gòu)豐富)、M2樣品(具有彈性纖維包絡(luò)結(jié)構(gòu))、M6樣品(孔隙結(jié)構(gòu)被破壞)在4次靜壓加載試驗(yàn)中的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。從圖8(a)的4次加載曲線中可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，在相同應(yīng)力作用下薄膜產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸減小，表明材料在每次加載過程中均經(jīng)歷了一定程度的塑性變形，可壓縮性能衰減。比較M0、M2和M6 3個(gè)樣品在4次加載過程中的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以看出，隨著橡膠含量的增加，在相同應(yīng)力作用下試樣產(chǎn)生的應(yīng)變衰減速度逐漸減小，可見加入EPDM橡膠顯著改善了復(fù)合材料整體的彈性，且加入橡膠越多，薄膜材料彈性越好。

圖8 M0、M2、M6樣品在4次靜壓過程中的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of M0, M2 and M6 samples in four loading steps

為了量化EPDM質(zhì)量占比對(duì)薄膜材料在多次靜壓試驗(yàn)過程中可恢復(fù)性能的影響，這里定義了可恢復(fù)系數(shù)：

(2)

式中：是為次加載試驗(yàn)中的應(yīng)變，=1，2，3，4；表示相同應(yīng)力下第次應(yīng)變相對(duì)于第1次應(yīng)變的恢復(fù)程度。顯然，越大，材料的可恢復(fù)性能越好。

這里選取了10 000、20 000、23 7663個(gè)過載值，分析M0～M6在4次加載過程中對(duì)應(yīng)應(yīng)力下的應(yīng)變變化，質(zhì)量塊對(duì)材料產(chǎn)生的應(yīng)力分別為5.39 MPa、10.38 MPa和12.81 MPa. 將對(duì)應(yīng)應(yīng)力下的應(yīng)變代入(2)式中計(jì)算，可得恢復(fù)系數(shù)與EPDM質(zhì)量占比之間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 4次靜壓加載情況下不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)可恢復(fù) 系數(shù)與EPDM質(zhì)量占比的關(guān)系Fig.9 Relationship between the recoverable coefficient and the EPDM mass proportion under different stresses during four times of static pressure loading

從整體趨勢(shì)來看，隨著EPDM質(zhì)量占比的增加，復(fù)合薄膜在多次加載試驗(yàn)中的可恢復(fù)性能隨之提升。可見，通過在多孔活性炭薄膜中添加EPDM橡膠可以顯著改善復(fù)合碳膜的彈性。從局部細(xì)節(jié)來看：當(dāng)EPDM質(zhì)量占比小于10%時(shí)，試樣的可恢復(fù)系數(shù)系數(shù)隨著EPDM含量的增加而迅速上升；當(dāng)EPDM質(zhì)量占比大于10%時(shí)，試樣的可恢復(fù)系數(shù)上升速度較為緩慢。因此，在添加EPDM橡膠時(shí)要注意橡膠的質(zhì)量占比，增加過量的橡膠并不會(huì)帶來等量的性能提升，反而會(huì)影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及孔隙率。

通過以上試驗(yàn)分析可得，多孔活性炭薄膜與多孔金屬材料類似，是一種孔隙結(jié)構(gòu)比較豐富的材料。類比多孔金屬材料，當(dāng)承受沖擊力作用時(shí)，薄膜內(nèi)部的孔隙會(huì)被擠壓發(fā)生塑性形變，從而吸收動(dòng)能，發(fā)揮緩沖作用。當(dāng)加入適量橡膠時(shí)，橡膠在剪切力和高溫作用下形成彈性纖維網(wǎng)絡(luò)包裹著活性炭顆粒，雖然薄膜材料的孔隙率下降，但是材料在力卸載后的自恢復(fù)性能得到了提高。當(dāng)加入過量橡膠后，薄膜孔隙率急劇下降，原有的孔隙結(jié)構(gòu)被橡膠破壞，雖然彈性較高，但是卻失去了多孔結(jié)構(gòu)特征。

3.4 馬歇特沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 曲線特征分析

試驗(yàn)中利用棘爪將棘輪位置固定在15齒，錘頭在此高度釋放過程中撞擊鐵砧，通過多次試驗(yàn)測(cè)得未經(jīng)過緩沖時(shí)質(zhì)量塊輸出的加速度信號(hào)峰值平均值為23 766.

圖10為試驗(yàn)過程中采集到的一組加速度信號(hào)曲線。從圖10中曲線的整體趨勢(shì)可以看出，錘頭撞擊鐵砧產(chǎn)生的加速度信號(hào)特征與動(dòng)能戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)過程中的加速度信號(hào)特征相似：過載信號(hào)在上升沿階段急劇上升，而在下降沿階段緩慢下降，且在下降過程中伴隨著大量的振蕩信號(hào)。將圖10中兩條曲線進(jìn)行比較，有以下3點(diǎn)現(xiàn)象：1)經(jīng)過M2樣品緩沖后，過載信號(hào)的峰值顯著下降；2)與未經(jīng)緩沖的曲線相比，經(jīng)過M2樣品緩沖后的曲線上升沿有一定的延時(shí)；3)緩沖后的曲線在下降沿階段振蕩幅值較小，說明待測(cè)試材料具有一定的波形整形效果，能夠有效吸能質(zhì)量塊在沖擊過程中的振動(dòng)。

圖10 加速度信號(hào)曲線Fig.10 Curves of acceleration signal

3.4.2 緩沖系數(shù)分析

考慮到峰值過載在器件損傷過程中起關(guān)鍵作用，為定量分析待測(cè)試復(fù)合薄膜材料的吸能緩沖特性，以傳感器輸出的峰值信號(hào)作為一個(gè)特征指標(biāo)。通過比較擊錘在相同高度下釋放，緩沖前后峰值過載的變化來判定待測(cè)試材料的吸能緩沖能力，具體緩沖系數(shù)定義為

(3)

式中：是未經(jīng)緩沖時(shí)，擊錘撞擊鐵砧過程中質(zhì)量塊輸出加速度信號(hào)的峰值均值(通過多次試驗(yàn)取平均值)；是經(jīng)過待測(cè)試材料緩沖后，質(zhì)量塊輸出加速度信號(hào)的峰值均值(通過多次試驗(yàn)取平均值)。顯然，越小則緩沖系數(shù)越大，說明緩沖效果越好。同時(shí)，這里定義，代表待測(cè)試材料在第次沖擊過程中的緩沖系數(shù)，的取值為1～4

本文針對(duì)每種薄膜材料均進(jìn)行了4次沖擊試驗(yàn)，分析該材料對(duì)于沖擊波的多次吸收緩沖能力，通過多組試驗(yàn)取平均值，減小誤差，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。根據(jù)SEM電鏡表征現(xiàn)象，以EPDM質(zhì)量占比5%和20%為界限將圖11分為3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，分別為區(qū)域1(M0樣品，純活性炭薄膜，孔隙結(jié)構(gòu)豐富)、區(qū)域2(M1、M2、M3、M4樣品，具有彈性纖維包絡(luò)結(jié)構(gòu))以及區(qū)域3(M5和M6樣品，孔隙結(jié)構(gòu)被破壞)。

圖11 多次沖擊過程中薄膜的緩沖系數(shù)與EPDM 質(zhì)量占比之間的關(guān)系Fig.11 Relation between buffering coefficient and EPDM mass proportions in multi-impact process

圖11中的黑色曲線為薄膜材料在首次沖擊時(shí)的緩沖系數(shù)曲線，從總體趨勢(shì)來看，隨著EPDM質(zhì)量占比的增加，薄膜材料的緩沖系數(shù)逐漸下降，表明加入橡膠將使薄膜材料在首次沖擊過程中的吸能緩沖能力下降。在EPDM質(zhì)量占比0～10%區(qū)間段，下降趨勢(shì)比較緩慢；在EPDM質(zhì)量占比10%～15%區(qū)間段，下降趨勢(shì)比較迅速；在EPDM質(zhì)量占比15%～20%區(qū)間段，下降趨勢(shì)比較平緩，整體下降趨勢(shì)與前面孔隙率測(cè)試中的孔隙率下降趨勢(shì)相符?？梢?，多孔薄膜材料的孔隙率確實(shí)影響自身的緩沖吸能特性。

通過對(duì)比分析4次沖擊過程中的緩沖系數(shù)曲線可知： 在區(qū)域1內(nèi)，純碳膜材料盡管在第1次沖擊時(shí)緩沖性能較好，但是由于缺少彈性，內(nèi)部孔隙被擠壓無法恢復(fù)，導(dǎo)致在后續(xù)沖擊中的緩沖系數(shù)下降幅度很大；相比于純碳膜M0樣品，由于橡膠彈性纖維網(wǎng)絡(luò)的存在，區(qū)域2內(nèi)的復(fù)合薄膜可恢復(fù)特性得到了提高，在后續(xù)沖擊中的緩沖系數(shù)下降幅度顯著小于區(qū)域1；而對(duì)于區(qū)域3而言，由于加入大量的橡膠，破壞了原來的多孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜材料整體性能偏橡膠化，缺點(diǎn)是在多次沖擊過程中緩沖系數(shù)較低，但是優(yōu)點(diǎn)是下降幅度也較小。

為評(píng)判材料在4次沖擊中的綜合緩沖能力，用4次緩沖系數(shù)的平均值來代表薄膜材料在4次沖擊中的綜合表現(xiàn)，如表4所示。計(jì)算結(jié)果表明，區(qū)域2內(nèi)的薄膜材料的平均緩沖系數(shù)高于區(qū)域1中的純碳膜、區(qū)域3中類橡膠薄膜以及純EPDM橡膠，說明具有彈性纖維網(wǎng)絡(luò)的孔隙結(jié)構(gòu)薄膜材料在多次沖擊過程中的緩沖吸能緩沖能力最優(yōu)。

表4 不同EPDM質(zhì)量占比薄膜的緩沖系數(shù)Tab.4 Buffering coefficients of films with different mass proportions of EPDM %

343 衰減系數(shù)分析

(4)

(5)

表5 不同EPDM質(zhì)量占比薄膜的衰減系數(shù)Tab.5 Attenuation coefficients of films with different mass proportions of EPDM %

圖12 平均衰減系數(shù)與EPDM質(zhì)量占比之間的關(guān)系Fig.12 Relation between average attenuation coefficients and EPDM mass proportion

從整體趨勢(shì)來看，隨著加入的EPDM質(zhì)量占比提高，薄膜材料的平均衰減系數(shù)隨之減小，表明材料的可恢復(fù)特性隨EPDM增加而提高，且衰減系數(shù)的下降趨勢(shì)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，與4次靜壓加載試驗(yàn)得到的可恢復(fù)系數(shù)變化趨勢(shì)相符。在區(qū)域1內(nèi)，純碳膜的衰減系數(shù)高達(dá)57.04%，可見單純的孔隙結(jié)構(gòu)在多次沖擊下的表現(xiàn)較差。當(dāng)加入質(zhì)量占比10% EPDM時(shí)，衰減系數(shù)從57.04%下降到28.49%，下降幅度達(dá)到16.07%，說明彈性橡膠纖維包絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著降低了薄膜的衰減系數(shù)，提高了材料的可恢復(fù)特性。當(dāng)EPDM質(zhì)量占比達(dá)到40%時(shí)，衰減系數(shù)僅為1.914%，與純EPDM的衰減系數(shù)相當(dāng)，說明此時(shí)薄膜材料已經(jīng)與橡膠材料類似，在犧牲緩沖特性的前提下獲得了良好的可恢復(fù)特性。

3.4.4 與其他材料的緩沖性能對(duì)比

為了突出具有彈性纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜材料在多次沖擊中的吸能優(yōu)勢(shì)，選擇泡沫金屬材料泡沫鋁和彈性聚合物材料氟橡膠兩種傳統(tǒng)材料與本文中M2樣品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示。材料厚度均為4 mm，其中泡沫鋁密度為0.67 g/cm，孔隙率為65%，氟橡膠密度為2.0 g/cm,馬歇特?fù)翦N下降高度為15齒。

圖13 M2樣品、泡沫鋁和氟橡膠在4次沖擊 過程中的緩沖系數(shù)Fig.13 Buffering coefficients of M2， foamed aluminiuin, and fluororubber during four times of impact process

由圖13可知，泡沫鋁在第1次沖擊過程的緩沖系數(shù)與M2樣品接近，但是在第1次沖擊過后性能急劇下降，在后續(xù)沖擊中的緩沖效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如M2樣品，可見傳統(tǒng)泡沫金屬材料可以滿足單次沖擊過程中的防護(hù)需求，但是在多次沖擊過程中的表現(xiàn)不好。而對(duì)于彈性聚合物而言，雖然氟橡膠在4次沖擊過程中緩沖性能衰減較小，但是其緩沖效果不如M2樣品。因此，本文設(shè)計(jì)的具有彈性纖維包絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔薄膜材料在多次沖擊中的吸能緩沖能力表現(xiàn)更好。

4 結(jié)論

針對(duì)引信在多次沖擊歷程中的防護(hù)需求，本文提出了一種新的緩沖材料設(shè)計(jì)思路，通過設(shè)計(jì)工藝制備方法，將多孔介質(zhì)與彈性聚合物混煉加工形成新復(fù)合結(jié)構(gòu)。利用SEM分析了彈性聚合物質(zhì)量占比對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合孔隙率測(cè)試和多次靜壓試驗(yàn)分析了彈性聚合物質(zhì)量占比對(duì)材料吸能特性和可恢復(fù)特性的影響。最后，利用馬歇特?fù)翦N進(jìn)行多次加載沖擊試驗(yàn)。得到以下結(jié)論：

1)橡膠在剪切力和高溫的同時(shí)作用下，可以形成微觀纖維網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成空間骨架結(jié)構(gòu)，將活性炭顆粒包裹在一起，形成包絡(luò)結(jié)構(gòu)，使薄膜材料在保持多孔特征的同時(shí)提高多孔材料的彈性。

2)加入的橡膠比例并不是越大越好，提高橡膠質(zhì)量占比可以提升薄膜材料整體的可恢復(fù)性能，但不是線性變化的，材料彈性上升速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。同時(shí)，過量橡膠會(huì)破壞原有的孔隙結(jié)構(gòu)，大幅降低材料的孔隙率，導(dǎo)致材料的緩沖吸能特性降低。

3)具有彈性纖維包絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔薄膜材料在多次沖擊中的吸能緩沖能力表現(xiàn)更好，平均緩沖系數(shù)更高，平均衰減系數(shù)顯著下降，優(yōu)于純碳膜、過填充的薄膜、純彈性聚合物以及泡沫金屬材料。