剪切增稠液填充蜂窩夾芯板的低速沖擊響應(yīng)

摘要： 將氣相二氧化硅顆粒與聚乙二醇溶液混合制備的剪切增稠液（ shear-thickening fluid， STF）填充到蜂窩芯層中，制成了STF 填充蜂窩夾芯板。通過落錘沖擊實驗，研究了沖擊速度（1.0、1.5、2.0 m/s）、蜂窩孔徑（2.0、2.5、3.0 mm）和壁厚（0.04、0.06、0.08 mm）對夾芯板力學(xué)性能的影響。利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變歷史和后面板撓度場的分布情況，探討了結(jié)構(gòu)的低速沖擊響應(yīng)過程。實驗結(jié)果表明，在低速沖擊下，未填充STF 蜂窩夾芯板的變形模式為后面板中心區(qū)域凸起變形，周圍區(qū)域有明顯鼓包變形；填充STF 蜂窩夾芯板的變形模式為后面板凸起變形且局部凸起區(qū)域較大，周圍無鼓包產(chǎn)生。STF 的剪切增稠效應(yīng)可以增加參與能量吸收的蜂窩單元，擴大結(jié)構(gòu)的局部變形區(qū)域，減小結(jié)構(gòu)的后面板撓度。提高沖擊速度、增大蜂窩孔徑或者減小壁厚，都更有利于STF 的剪切增稠效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 剪切增稠液；蜂窩夾芯板；低速沖擊；變形模式；數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

中圖分類號： O347.3 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

夾芯結(jié)構(gòu)作為保護(hù)人員和重要結(jié)構(gòu)的防護(hù)附層，主要抵抗碎片沖擊和爆炸沖擊等極端載荷，因此探究夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能有重要意義。很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在芯層中填充額外的吸能材料可以有效提高夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，例如聚氨酯泡沫[1]、納米黏土[2] 和剪切增稠液（shear-thickening fluid， STF）[3-4] 等，其中STF 作為一種新型環(huán)保填充材料受到廣泛關(guān)注。STF 是一種典型的非牛頓流體，其黏度和動力響應(yīng)特征在不同剪切速率下的表現(xiàn)差異顯著。有關(guān)STF 的研究可以追溯到五十多年前，Hoffman[5] 首先提出了有序-無序轉(zhuǎn)化理論，非牛頓流體中的顆粒在靜止或低剪切速率下會呈現(xiàn)出有序的分布狀態(tài)，當(dāng)受到高速剪切作用后，這種有序的分布狀態(tài)會被破壞，從而變?yōu)闊o序的狀態(tài)。無序的粒子發(fā)生聚集，影響流體的正常流動，導(dǎo)致剪切增稠效應(yīng)。此后又出現(xiàn)了關(guān)于剪切增稠效應(yīng)的其他著名理論，包括粒子簇理論[6] 和接觸流變理論[7]。

由于STF 的特殊流變性能，在防護(hù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，目前STF 主要應(yīng)用于纖維材料和阻尼振動結(jié)構(gòu)。Selver[8] 用STF 浸漬碳纖維和玻璃纖維做成復(fù)合材料，并進(jìn)行沖擊測試，發(fā)現(xiàn)在沖擊過程中，加入STF 可以通過產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)來提高碳纖維和玻璃纖維的能量吸收和峰值載荷。Bajya 等[9] 用STF 浸漬Kevlar 纖維，對其進(jìn)行了彈道沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合纖維材料的抗穿透能力顯著增強，而其柔韌性沒有任何損失。Gürgen 等[10] 將STF 填充到碳纖維增強聚合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）管中，通過模態(tài)分析研究了結(jié)構(gòu)的振動特性，發(fā)現(xiàn)STF 填充到CFRP 管中顯著提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻抗比。Neagu 等[11] 采用微觀力學(xué)模型研究了由硅膠基體和玻璃纖維制成的復(fù)合材料在纖維-基體界面處的阻抗比，發(fā)現(xiàn)添加STF 能夠明顯改善該復(fù)合材料的阻尼性能。

目前，已有研究人員將STF 應(yīng)用在傳統(tǒng)的夾芯結(jié)構(gòu)中。Warren 等[12] 通過碰撞實驗，研究了STF 填充蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，結(jié)果表明填充STF 可以減少對芯層的破壞和后面板穿孔的概率。Lam 等[13]分別將聚氨酯泡沫、牛頓流體和STF 填充到夾芯結(jié)構(gòu)的芯層中，利用LS-DYNA 對結(jié)構(gòu)的壓潰性能進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)STF 填充的結(jié)構(gòu)能提高平均壓潰力，具有理想的吸能特性和抗壓潰性能。Fu 等[14] 將STF 填充到不同芯層厚度的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中，并進(jìn)行了沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)STF 有效提高了芯層較薄結(jié)構(gòu)的能量吸收，抑制了芯層較厚結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。

然而，針對蜂窩幾何參數(shù)（如蜂窩孔徑和壁厚）對STF 填充夾芯板抗沖擊性能的影響還缺乏研究。本文中，首先，通過實驗方法測試STF 在不同速度下的抗沖擊性能；然后，將STF 填充到蜂窩夾芯板中，研究STF 對蜂窩夾芯板抗沖擊行為的影響；最后，改變蜂窩的幾何參數(shù)，探究孔徑和壁厚對STF 填充蜂窩夾芯板抗沖擊行為的影響，闡明STF 填充蜂窩夾芯板抗沖擊性能增強的潛在機制。

1 實驗設(shè)置

利用Instron 9350 型落錘試驗機進(jìn)行低速沖擊實驗，沖擊速度范圍為1.0～2.0 m/s。實驗中使用高強度不銹鋼制成的圓柱形錘頭，頭部為半球形，直徑為20 mm。沖擊器的總質(zhì)量為5.6 kg。利用數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation， DIC）法測試結(jié)構(gòu)后面板變形場，其中高速攝像機拍攝幀頻為7 500 s?1，實驗設(shè)置如圖1 所示。

蜂窩夾芯板（honeycomb sandwich panel， HP）結(jié)構(gòu)由鋁合金A5052 的面板和鋁合金1350-H19 的蜂窩芯層組成，具體材料參數(shù)見表1。面板的厚度tp=0.25 mm；蜂窩芯層的高度hh=15 mm；蜂窩的孔徑l 有3 種，分別為2.0 mm （S）、2.5 mm （M）、3.0 mm （L）；蜂窩的壁厚th 有3 種，分別為0.04 mm （S）、0.06 mm（M）、0.08 mm （L）。將STF 填充到HP 的過程中，一些蜂窩孔中會有氣泡產(chǎn)生，如圖2（a） 所示，導(dǎo)致填充效果不佳。為了消除氣泡對沖擊實驗的影響，使用真空干燥箱對試件進(jìn)行抽真空處理。每次處理10 min后繼續(xù)填充，重復(fù)處理3 次，氣泡基本消除，如圖2（b） 所示。填充STF 的面積為100 mm×100 mm[14-15]，填充區(qū)域與沖擊錘頭面積相比足夠大，可以有效降低邊界效應(yīng)，制備成型的STF 填充蜂窩夾芯板（HP-STF）結(jié)構(gòu)如圖2（c） 所示。當(dāng)沖擊速度為1.0 m/s 時，結(jié)構(gòu)記為HP-1.0 m/s 或HP-STF-1.0 m/s；當(dāng)HP 結(jié)構(gòu)的蜂窩孔徑為2.0 mm （S）、蜂窩壁厚為0.06 mm （M） 時，結(jié)構(gòu)記為HP-SM；當(dāng)HP-STF 結(jié)構(gòu)的蜂窩孔徑為2.0 mm （S）、蜂窩壁厚為0.06 mm （M） 時，結(jié)構(gòu)記為HP-STF-SM，其他結(jié)構(gòu)命名以此類推。

2 STF 性能測試

2.1 流變測試

將氣相二氧化硅顆粒溶解到聚乙二醇溶液中，通過攪拌砂磨分散多用機攪拌約3 h，得到氣相二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的STF，如圖3（a） 所示。室溫下使用Anton Paar MCR302 流變儀對該STF 進(jìn)行測量，得到其黏度隨剪切速率的變化趨勢，如圖3（b） 所示。從圖3（b） 可以看出，STF 在低剪切速率下出現(xiàn)剪切變稀的特性，在達(dá)到臨界剪切速率（6.07 s?1）后黏度開始提高，表現(xiàn)出剪切增稠特性，直到黏度達(dá)到峰值（116 Pa·s）后，再次出現(xiàn)剪切變稀的特性[16-18]。為了直觀展示STF 試樣的剪切增稠特性，根據(jù)STF 對剪切速率的敏感性，進(jìn)行了簡單的快速抽拉測試，如圖4 所示。將一根木棍從裝有STF 樣品的容器中快速抽出，通過高速攝像機記錄木棍抽出的過程。木棍離開容器的瞬間，STF 以錐形附著在木棍上；緊接著其余STF 在木棍下方形成矩形區(qū)域，出現(xiàn)短暫的固體特征；隨著木棍繼續(xù)拉出，錐形區(qū)域和矩形區(qū)域的變形達(dá)到極限狀態(tài)；STF 逐漸變稀并流下。

2.2 落錘沖擊測試

STF 在低剪切速率下具有低黏度，而在沖擊載荷作用下，二氧化硅顆粒團(tuán)簇形成堵塞，黏度瞬間提高。為了進(jìn)一步觀察STF 的抗沖擊作用，對STF 樣品進(jìn)行了低速沖擊測試。將STF 樣品裝在直徑d 為70 mm、高度H 為100 mm 的塑料瓶中，采用直徑為20 mm 的圓柱形錘頭對試樣進(jìn)行沖擊，沖擊速度v 為0.1～0.9 m/s，如圖5 所示，試樣高度hs 為60 mm。實測載荷-位移曲線如圖6 所示，從載荷-位移曲線中提取沖擊載荷峰值和位移峰值，并積分得到能量吸收情況：

式中：E 為STF 吸收的能量，F(xiàn) 為落錘的沖擊載荷，s 為落錘接觸STF 后下降的位移。結(jié)果見表2。

當(dāng)落錘沖擊速度從0.1 m/s 提高到0.5 m/s時，由于沖擊速度很低，STF 的增稠效應(yīng)不明顯，沖擊載荷峰值較小。當(dāng)落錘沖擊速度從0.6 m/s提高到0.9 m/s 時，由于沖擊速度提高，STF 產(chǎn)生了增稠效應(yīng)，沖擊載荷隨著侵徹深度的增加而急劇增大，STF 的抵抗作用相應(yīng)增強，錘頭到達(dá)瓶底之前被增稠的STF 彈回。進(jìn)一步分析可得，當(dāng)沖擊速度從0.1 m/s 提高到0.3 m/s 時，沖擊載荷峰值從124.2 N 單調(diào)增大到207.8 N。然而，落錘的位移峰值沒有單調(diào)性，沖擊速度為0.2 m/s時落錘的位移峰值最大，為60.0 mm；沖擊速度為0.3 m/s 時落錘的位移峰值最小，為50.7 mm。當(dāng)沖擊速度從0.4 m/s 提高到0.9 m/s 時，沖擊載荷峰值從232.6 N 單調(diào)增大到1 135.0 N，落錘的位移峰值從56.5 mm 單調(diào)減小到36.0 mm。

落錘低速實驗結(jié)果表明，在較低的沖擊速度（0.1～0.3 m/s）下，STF 不易產(chǎn)生增稠效應(yīng)，落錘的沖擊載荷峰值隨沖擊速度提高而增大，位移峰值沒有規(guī)律性，STF 的抗沖擊性能不明顯；當(dāng)提高沖擊速度（0.4～0.9 m/s）時，STF 產(chǎn)生了增稠效應(yīng)，隨著沖擊速度的提高，落錘的沖擊載荷峰值增大，位移峰值減小，能量吸收呈升高趨勢，STF 的抗沖擊性能更明顯。

3 夾芯板動態(tài)響應(yīng)過程

通過高速DIC 技術(shù)，測試并計算了結(jié)構(gòu)后面板的應(yīng)變歷史。圖7 為HP-STF-MS 在x 方向上的應(yīng)變歷史，圖8 為其在y 方向上的應(yīng)變歷史。落錘從t=0 ms 時開始沖擊結(jié)構(gòu)（圖7（a） 和8（a）），當(dāng)t=1.5 ms 時，結(jié)構(gòu)x 方向和y 方向的中間帶狀區(qū)域均發(fā)生大面積受拉變形，如圖7（b） 和8（b） 所示。當(dāng)t=1.9 ms 時：x 方向的落錘沖擊點左右兩側(cè)產(chǎn)生集中拉應(yīng)變，最下方邊界處出現(xiàn)輕微壓應(yīng)變，如圖7（c） 所示；y 方向的拉應(yīng)變區(qū)域擴大，兩側(cè)的邊界處出現(xiàn)輕微壓應(yīng)變，如圖8（c） 所示。當(dāng)t=3.2 ms 時：x 方向的集中拉應(yīng)變增大，應(yīng)變分界從帶狀變?yōu)榄h(huán)狀，如圖7（d） 所示；y 方向在落錘沖擊點上下兩側(cè)產(chǎn)生集中拉應(yīng)變，如圖8（d） 所示。當(dāng)t=5.3 ms 時：x 方向的拉應(yīng)變區(qū)域向落錘沖擊點集中，應(yīng)變進(jìn)一步增大，如圖7（e） 所示；y 方向的應(yīng)變區(qū)域也逐漸變大，呈現(xiàn)出清晰的環(huán)狀分布，如圖8（e） 所示。當(dāng)t=25.0 ms 時：x 方向和y 方向的應(yīng)變均趨于穩(wěn)定，最大應(yīng)變都集中在落錘沖擊點處，如圖7（f） 和8（f） 所示。

4 參數(shù)分析

4.1 沖擊速度對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應(yīng)的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩孔徑2.5 mm、蜂窩壁厚0.04 mm 和芯層高度15 mm 不變，改變沖擊速度，分別取1.0、1.5 和2.0 m/s。圖9 為實驗采集的3 種速度下HP 結(jié)構(gòu)和HP-STF 結(jié)構(gòu)的沖擊載荷-位移曲線。沖擊速度為1.0 m/s 時，2 種結(jié)構(gòu)的峰值力相似，HP-STF 的凹陷深度為4.7 mm，比HP 的凹陷深度（4.8 mm）小2.1%。這表明，在1.0 m/s 的沖擊速度下，STF 無法充分發(fā)揮增稠效果，為結(jié)構(gòu)提供的抵抗作用微乎其微。沖擊速度為1.5 m/s 時，HP-STF 的峰值力比HP 的高4.7%，2 種結(jié)構(gòu)的沖擊力在峰值后均有一段波動，說明錘頭沖破了前面板，作用在芯層區(qū)域。HP-STF 芯層中的STF受到?jīng)_擊作用后會產(chǎn)生增稠效應(yīng)，導(dǎo)致落錘的穿透深度更小，此時HP-STF 的穿透深度為8.9 mm，比HP 的穿透深度（10.2 mm）小12.7%。沖擊速度為2.0 m/s 時，2 種結(jié)構(gòu)的沖擊載荷變化趨勢有明顯差別，HP 有2 個峰值，而HP-STF 只有1 個峰值。對比落錘的穿透深度，填充STF 可以降低34.5%，且隨著沖擊速度的提高，STF 對穿透深度的降低效果更顯著。

圖10 為HP-STF 結(jié)構(gòu)和HP 結(jié)構(gòu)在2.0 m/s 沖擊速度下的破壞形態(tài)，可以看出，HP 的后面板中心區(qū)域凸起變形嚴(yán)重，周圍有明顯的鼓包變形，而HP-STF 的后面板只有中心區(qū)域有凸起情況，并且散斑破損的面積比HP 大，沒有產(chǎn)生中心區(qū)域到邊界處的鼓包變形。這是因為，未填充STF 的HP 結(jié)構(gòu)只有落錘正下方區(qū)域的蜂窩壁承受沖擊，當(dāng)這些蜂窩壁被壓實后，只能進(jìn)一步傳遞給后面板的局部區(qū)域，導(dǎo)致后面板容易達(dá)到變形極限；而HP-STF 結(jié)構(gòu)由于液體的剪切增稠作用，落錘對芯層的沖擊壓迫STF 向外側(cè)移動，導(dǎo)致周圍更多的蜂窩壁屈曲，參與能量吸收，增大了后面板的局部變形區(qū)域，有效減小了后面板的變形程度。

為了更深入探究STF 填充蜂窩夾芯板在沖擊載荷作用下的抗沖擊性能，通過下式計算沖量：

式中：t 為落錘作用在結(jié)構(gòu)上的時間。

圖11（a） 為不同沖擊速度下HP 和HP-STF 的沖量與峰值載荷情況，可以發(fā)現(xiàn)，填充STF 提高了結(jié)構(gòu)的沖擊力峰值，而HP-STF 的沖量始終小于HP，說明沖擊速度為1.5 和2.0 m/s 時，HP-STF 的作用力持續(xù)時間比HP 短，STF 提高了結(jié)構(gòu)的剛度。從圖11（b） 可以看到，隨著沖擊速度的提高，HP 和HP-STF 的穿透深度都增大，但HP-STF 的穿透深度始終小于HP 的。圖11（c） 為2 種結(jié)構(gòu)的后面板殘余撓度情況，與穿透深度的變化規(guī)律相似，在3 種沖擊速度下，HP-STF 的殘余撓度分別比HP 的減小了2.0%、33.3% 和42.9%。可見，填充STF 可以提高結(jié)構(gòu)的剛度，有效減小結(jié)構(gòu)的穿透深度和結(jié)構(gòu)后面板的殘余撓度，且提高沖擊速度更有利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)。

4.2 蜂窩孔徑對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應(yīng)的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩壁厚0.04 mm、芯層高度15 mm 和沖擊速度2.0 m/s 不變，改變蜂窩的孔徑尺寸（包括2.0、2.5 和3.0 mm）。圖12 為不同蜂窩孔徑結(jié)構(gòu)的沖擊力-位移曲線。在相同沖擊速度下，3 種蜂窩孔徑結(jié)構(gòu)的沖擊載荷均只有一個峰值，在峰值后存在不同平臺的波動，意味著3 種結(jié)構(gòu)的前面板都破裂，錘頭已經(jīng)到達(dá)了芯層或后面板，但是對芯層的壓縮情況不同。3 種結(jié)構(gòu)的穿透深度差異明顯：HP-STF-SS 結(jié)構(gòu)的穿透深度最小，約為11.6 mm；HP-STF-MS 結(jié)構(gòu)的穿透深度次之，約為14.2 mm；HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的穿透深度最大，約為19.7 mm。這說明，蜂窩孔徑影響了結(jié)構(gòu)的穿透深度，孔徑越大，穿透深度越大。

為了觀察芯層的變形情況，從穿孔處將試件切開，試件結(jié)構(gòu)的剖面如圖13 所示?？梢钥闯觯篐PSTF-SS 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要是局部的壓入失效（伴有輕微撕裂破壞），近前面板處的蜂窩芯層部分被壓實，近后面板處的蜂窩芯層有輕微屈曲變形；HP-STF-MS 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要是局部的壓入失效，且前面板發(fā)生撕裂破壞，蜂窩芯層的變形模式與HP-STF-SS 結(jié)構(gòu)相似；HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要是局部的穿透失效，并伴隨前面板和蜂窩芯層的明顯撕裂破壞。這說明，蜂窩孔徑影響了前面板和蜂窩芯層的破壞模式，孔徑越大，錘頭越容易撕裂前面板和穿破蜂窩芯層，兩者的破壞程度越嚴(yán)重。

圖14 為3 種結(jié)構(gòu)的后面板撓度對比，其中隨著蜂窩孔徑的增大，最大撓度和殘余撓度都減小。HPImpulseSTF-SS 結(jié)構(gòu)和HP-STF-MS 結(jié)構(gòu)的最大撓度分別為2.5 和2.3 mm，相較于HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的最大撓度（1.9 mm）分別大31.6% 和21.1%；HP-STF-SS 結(jié)構(gòu)和HP-STF-MS 結(jié)構(gòu)的殘余撓度分別為1.9 和1.8 mm，比HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的殘余撓度（1.7 mm）分別大11.8% 和5.9%。填充STF 可以降低結(jié)構(gòu)的后面板撓度，這是因為當(dāng)蜂窩芯層與STF 一同受到?jīng)_擊作用時，蜂窩產(chǎn)生屈曲變形，STF 發(fā)生增稠效應(yīng)，這種效應(yīng)使蜂窩孔中的STF 轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w形態(tài)，阻止蜂窩過早變形，并將面外的壓縮作用傳遞給鄰近的蜂窩單元，讓更多蜂窩單元參與抗沖擊過程[15， 19-20]。HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的撓度最小，說明增大蜂窩孔徑有利于降低結(jié)構(gòu)的后面板撓度。

圖15 為3 種HP-STF 結(jié)構(gòu)的DIC 變形云圖，分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)后面板撓度達(dá)到最大的時刻，可以看出，HP-STF-SS 結(jié)構(gòu)和HP-STF-MS 結(jié)構(gòu)的變形情況相似，而HP-STF-LS 的變形區(qū)域更大，表明蜂窩孔徑較大的結(jié)構(gòu)更有利于STF 的增稠效應(yīng)，增加參與能量吸收的蜂窩單元。在錘頭相同的沖擊面積下，蜂窩孔徑越小的結(jié)構(gòu)抵抗落錘沖擊的蜂窩單元越多，導(dǎo)致落錘未能穿透前面板，緩沖了對蜂窩芯層和STF 的沖擊作用，不利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)；反之，蜂窩孔徑越大的結(jié)構(gòu)，前面板更容易被穿透，提高了落錘直接作用STF 的可能性，更有利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)，從而降低后面板撓度。

4.3 蜂窩壁厚對STF 填充蜂窩夾芯板沖擊響應(yīng)的影響

固定面板厚度0.25 mm、蜂窩孔徑3 mm、芯層高度15 mm 和沖擊速度2.0 m/s 不變，改變蜂窩壁厚（包括0.04、0.06 和0.08 mm）。如圖16 所示，HP-STF-LM 結(jié)構(gòu)和HP-STF-LL 結(jié)構(gòu)的穿透深度分別為16.6 和10.8 mm，比HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的穿透深度（19.7 mm）分別小15.7% 和45.2%。這說明，蜂窩壁厚影響了落錘的穿透深度，壁厚越大，承受沖擊載荷的蜂窩孔壁剛度越大，落錘的穿透深度越小。

圖17 為3 種結(jié)構(gòu)的剖面。可以看出，HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，主要是局部的穿透失效，并伴隨前面板和蜂窩芯層的明顯撕裂破壞；HP-STF-LM 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要是局部的壓入失效，并伴隨前面板撕裂破壞，蜂窩芯層有明顯屈曲變形；HP-STF-LL 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要是局部的壓入失效，前面板輕微撕裂破壞，蜂窩芯層有輕微屈曲變形。這說明，蜂窩壁厚影響了前面板和蜂窩芯層的破壞模式，蜂窩壁越厚，錘頭對前面板的撕裂程度越低，對蜂窩芯層破壞程度越低。

圖18 為3 種結(jié)構(gòu)的后面板撓度對比，可以看到，不同蜂窩壁厚結(jié)構(gòu)的后面板撓度差異明顯，其中壁厚越大，撓度越大。HP-STF-LM 和HP-STF-LL 結(jié)構(gòu)的最大撓度分別為2.1 和3.0 mm，比HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的最大撓度（1.9 mm）分別大10.5% 和57.9%；HP-STF-LM 和HP-STF-LL 結(jié)構(gòu)的殘余撓度分別為1.9 和2.4 mm，比HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的殘余撓度（1.7 mm）分別大11.8% 和41.2%。HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的撓度最小，說明減小蜂窩壁厚有利于降低結(jié)構(gòu)的后面板撓度。

圖19 為不同蜂窩壁厚HP-STF 結(jié)構(gòu)的DIC 變形云圖，分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)后面板撓度達(dá)到最大的時刻，可以看出，3 種結(jié)構(gòu)的變形區(qū)域相似，變形大小不同，HP-STF-LS 結(jié)構(gòu)的后面板變形最小，說明蜂窩壁厚較小的結(jié)構(gòu)更有利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)的后面板撓度，提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。這是因為，蜂窩壁和STF 同時承擔(dān)沖擊載荷，增大蜂窩壁厚會削減STF 受到的沖擊作用，不利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)；反之，減小蜂窩壁厚會增加STF 受到的沖擊作用，STF 更容易達(dá)到臨界剪切速率，從而產(chǎn)生增稠效應(yīng)。

5 結(jié) 論

將氣相二氧化硅顆粒溶解到聚乙二醇溶液中，成功制備了剪切增稠液（shear-thickening fluid， STF），并將STF 填充到蜂窩夾芯板中制成了STF 填充蜂窩夾芯板。對蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)和STF 填充蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)開展了落錘低速沖擊實驗，并利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變歷史與撓度場分布情況，探討了結(jié)構(gòu)的低速沖擊響應(yīng)過程，研究了落錘沖擊速度、蜂窩孔徑和壁厚對蜂窩夾芯板抗沖擊性能的影響，得到以下主要結(jié)論。

（1） STF 填充蜂窩夾芯板在低速沖擊響應(yīng)過程中先出現(xiàn)大面積的帶狀拉應(yīng)變區(qū)域，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀區(qū)域，最后最大拉應(yīng)變集中在落錘沖擊點。

（2） 填充STF 會影響蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)后面板的變形模式，未填充STF 的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出后面板中心區(qū)域凸起、周圍區(qū)域產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象的變形模式；填充STF 的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出后面板局部凸起變形區(qū)域較大，但無鼓包產(chǎn)生的變形模式。

（3） 在本研究的低速范圍內(nèi)，填充STF 可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，減小結(jié)構(gòu)的穿透深度和后面板殘余撓度，相比于未填充STF 結(jié)構(gòu)，填充STF 結(jié)構(gòu)的穿透深度分別減小了2.1%、12.7%、34.5%，后面板殘余撓度分別減小了2.0%、33.3%、42.9%，沖擊速度越大，STF 越容易產(chǎn)生增稠效應(yīng)；孔徑為2.0 和2.5 mm 結(jié)構(gòu)的殘余撓度分別比孔徑為3.0 mm 結(jié)構(gòu)的殘余撓度大11.8% 和5.9%，增大孔徑可以提高落錘直接作用在STF 的可能性，更有利于STF 產(chǎn)生增稠效應(yīng)；壁厚為0.06 和0.08 mm 結(jié)構(gòu)的殘余撓度分別比壁厚為0.04 mm 結(jié)構(gòu)的殘余撓度大11.8% 和41.2%，減小壁厚會增大 STF 受到的沖擊作用，STF 更容易達(dá)到臨界剪切速率而產(chǎn)生增稠效應(yīng)。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

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