天工大CS：剪切硬化凝胶填充折纸负泊松比骨架抗冲击复合材料

1 导读

近年来，柔性缓冲材料广泛应用于安全防护与电子产品领域。其研究主要集中在非牛顿流体材料，即剪切增稠流体（STF）和剪切硬化凝胶（SSG）。相比于STF，SSG克服了液相挥发、颗粒沉降等问题，因此受到了越来越多的关注。然而，SSG在重力作用下表现出冷流效应，要求必须与骨架材料配合封装使用。因此，研究该类材料与骨架的结构动力学对设计柔性缓冲材料具有重要意义。

天津工业大学吴利伟副教授团队围绕柔性缓冲材料SSG与骨架的结构动力学进行了研究，前期工作表明骨架与剪切硬化材料的动态流变性对复合材料力学行为起重要影响，并决定了复合材料抗冲击性能，相关成果已刊发在Top期刊《Materials & Design》上。在前期工作基础上，设计出一类特殊骨架进一步提升SSG缓冲性能具有重要意义。

近期，该团队在复合材料Top期刊《Composite Structures》发表了SSG柔性复合材料抗冲击研究，标题为“Impact energy absorption composites with shear stiffening gel-filled negative poisson’s ratio skeleton by Kirigami method”，第一作者为吴伟利副教授，通讯作者为盐城工学院陆振乾副教授和天津工业大学姜茜副研究员。

在这项工作中，首次提出了使用折纸负泊松比预浸料蜂巢骨架激发SSG剪切硬化材料特性，以此进一步提升缓冲能力。通过建立流固耦合分析模型，分析了在冲击载荷作用下负泊松比骨架与SSG的相互作用，揭示了其独特的硬化吸能与应力扩散机制。

2 内容简介

该复合材料由填料SSG（图1 b），负泊松比预浸料骨架（图1 c-e）与封装泡沫组成（图1-f）。通过将SSG按照1/2与3/4的体积填充进蜂巢内部并进行发泡包覆，即可制得负泊松比骨架复合材料（NPRSC），并标记为R1/2和R3/4。作为对照组，按相同填充比例制备了常规正泊松比复合材料（PPRSC），并标记为H1/2和H3/4（图1 f），骨架内部未填充SSG的样品标记为PU&SK，纯泡沫样品标记为PU。

图1 NPRSC复合材料制造工艺示意图，（a）预浸料生产工艺，（b）SSG样品，（c）折痕设计，（d），折叠工艺，（e）纯骨架样品，（f）整体复合材料示意图

压缩实验表明，负泊松比样品表现出更低的初始压缩模量（图2 a-b），展现了比正泊松比样品更好的柔性。当压缩到一定程度时，NPRSC中有限的空间被快速挤压，正泊松比试样比负泊松比式样更早进入压实阶段 （图2 c-d）。因此，负泊松比样品的曲线斜率增加，数值上接近正泊松比样品的曲线斜率(图2 a)。压缩实验表明NPRSC复合材料的有助于降低平均压缩模量，柔性更强。

图2 （a）NPRSC与PPRSC复合材料在15mm/min压缩速率下的载荷-位移曲线，（b）不同应变下压缩模量，（c）-（d）静态缓压变形示意图

低速冲击实验表明，随着冲击高度即速度的增加，负泊松比样品比正泊松比样品的减荷比也同步增加。就被动力而言，在150 mm高度冲击下R1/2载荷比H1/2低6.74% （图3 d），而R3/4比H3/4低9.17%。相同情况下，250 mm处分别为9.09%和10.17%（图3 e）。而在350 mm下，这两比例达到了10.66%和14.20% （图3 f）。这一现象归结于负泊松比骨架的压聚效应，并且这种效应随冲击高度的增加而更加明显。

图3 NPRSC与PPRSC复合材料在冲击高度为150、250、350mm下的主动力与被动力-时间曲线

从吸能角度看，具有最高质量比吸能的R3/4样品每克比H1/2样品多吸收15.7%和20.3%的能量。在相同情况下，R1/2样品比H1/2每克多吸收15.7%和20.3%的能量。因此，无论是面积比吸能还是质量比吸能，负泊松比样品的缓冲性能都优于常规正泊松比蜂巢样品，这得益于所设计的特殊结构和材料的耦合性能。

图4冲击高度为250 mm的面积比吸能-侵彻比曲线，（b）质量比吸能-侵彻比曲线

数值研究表明，在冲击后期，正泊松比骨架使SSG均匀承载，不利于发挥SSG硬化特性。而负泊松比样品在内部产生大应力集中区域，该区域SSG被骨架显著激发。此外，SSG在低应力区域模量较小，受到冲击时产生较大变形，有利于应力的横向传递。因此，在冲击后期发现了明显的应力连接带，证明了负泊松比骨架有利于将冲击载荷进行横向扩散。

图5不同冲击时刻NPRSC和PPRSC内部SSG的应力分布

3 小结

本文提出并制造了一种新型NPRSC柔性缓冲复合材料，借助负泊松比骨架来激发其内部填充SSG的独特流变特性，并通过数值模拟探究了骨架与硬化流体在冲击载荷下的相互作用与吸能缓冲机制。本次研究所制备的复合材料具有优异的吸能效率，在未来的智能防护领域具有良好的应用前景。

原文文献

Wu L, Zhao F, Lu Z, et al. Impact energy absorption composites with shear stiffening gel-filled negative poisson's ratio skeleton by Kirigami method. Composite Structures 2022; 298: 116009.

DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116009

前期研究

Zhao F, Wu L, Lu Z, Lin J-H, Jiang Q. Design of shear thickening fluid/polyurethane foam skeleton sandwich composite based on non-Newtonian fluid solid interaction under low-velocity impact. Materials & Design. 2022;213:110375.

DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110375

稿件整理人：赵枫 

责任编辑：张鑫