宋玉环等：聚氨酯/蜂窝铝复合材料的压缩力学行为及缓冲吸能特性 ·1155* 超弹性材料行为：(3)聚氨酯/蜂窝铝复合材料的应 另外，我们将三种试样分别取六个试件，分别测出 力一应变曲线则呈现出明显的弹性、屈服和压实三个 六个试件压前高度的平均值和压后高度的平均值，其 阶段 中压后高度为变形回复后的高度，最终应变由压缩试 35 验得到并取六个试件的平均值（试验中每个试件都是 压缩到10kN停止的).根据下面公式 30 一一空芯蜂窝铝 变形回复率=压后高度-压前高度×(1-最终 25 -一-·聚氨酯填充蜂窝铝 应变)]/（压前高度×最终应变）×100% 聚氨酯 计算出变形回复率.其中压前高度、压后高度、最终应 20 变分别取的是六个试件的平均值 15 表1表明，蜂窝铝的加入有效降低聚氨酯的变形 10 回复率，比例为25%，减少聚氨酯弹性能的释放，在一 定程度上减轻汽车碰撞后被回弹速度，从而降低汽车 碰撞过程中二次损伤的可能. 2.2聚氨酯/蜂窝铝复合材料的缓冲吸能特性分析 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 应变 图3为聚氨酯/蜂窝铝复合材料压缩后扫描电镜 照片（横向箭头的方向表示压缩时受力的方向） 图2空芯蜂窝铝、聚氨酯和聚氨酯填充蜂窝铝的应力一应变曲 线 由图3可见：蜂窝铝胞壁呈弯曲变形，胞壁挤入聚 Fig.2 Stress-strain curves of the hollow aluminum honeycomb,pol- 氨酯的一侧，聚氨酯与胞壁结合的较好：胞壁脱离聚氨 yurethane and aluminum honeycomb filled with polyurethane 酯的一侧，聚氨酯与胞壁有发生脱黏的趋势.如 图3()，聚氨酯受到胞壁的横向拉伸而产生图示变 三种材料中聚氨酯/蜂窝铝复合材料的初始刚度 形，聚氨酯发生变形的方向正好与试件所受压力的方 最大（见图2）.其原因主要是：聚氨酯/蜂窝铝复合材 向垂直.由此判断，聚氨酯的拉伸变形发生在受压过 料在初始时主要是内部聚氨酯和蜂窝铝发生弹性变 程，并非受压后的变形回复阶段.聚氨酯/蜂窝铝复合 形，由于蜂窝铝对聚氨酯的格栅作用，使聚氨酯的横向 材料受压后内部聚氨酯发生弹性变形，蜂窝铝胞壁发 变形速度减慢，同时由于内部聚氨酯对蜂窝铝胞壁弯 生弯曲变形（见图3(a)),故聚氨酯/蜂窝铝复合材料 曲的遏制作用，从而使复合材料表现出初始刚度较高. 主要是以内部聚氨酯的挤压弹性变形和蜂窝铝的胞壁 聚氨酯/蜂窝铝复合材料的屈服平台高度较空芯 弯曲变形来吸能 蜂窝铝高.原因主要是：屈服阶段聚氨酯/蜂窝铝复合 单位体积吸收的能量可用单位体积的形变功 材料的蜂窝铝胞壁开始发生弯曲变形.聚氨酯纵向受 表示： 压，由于其体积不可压缩性，它会发生横向弹性变性， 这种横向变形导致蜂窝铝胞壁内压重分布网，一定程 c=ode. (1) 度上遏制胞壁的弯曲变形，使蜂窝铝在较高的应力才 式中：C表示为应力一应变曲线下方的面积，可通过对 能发生屈服，从而表现出屈服平台的提高 曲线积分获得，Em为压缩过程的任意工程应变；σm为 通过观察压缩后的试样的高度，我们发现空芯蜂 ￡。所对应的工程应力.通过应力和应变的积分求出 窝铝受压后其高度变得很小，聚氨酯的高度和受压之 材料的吸收能并绘出曲线如图4. 前几乎没有什么差别，聚氨酯/蜂窝铝复合材料也和受 图4为聚氨酯和聚氨酯/蜂窝铝复合材料的吸收 压前的高度差别不大，根据经验我们知道，试样变形回 能-应力曲线.由图可见：(1)在应力到达3MPa左右 复越大，对冲击物体的反弹作用越大，从而造成二次损 之前（图中下部箭头所指的位置既为应力为3MPa左 伤的可能性越大.表1为各种试样的具体变形回 右，对应图2的聚氨酯/蜂窝铝复合材料的初始屈服平 复率 台应力)，相同应力下聚氨酯/蜂窝铝复合材料的吸收 表1压缩试验数据结果 能比聚氨酯少.其原因主要是：应力在3MP左右之 Table 1 Results of the compression test 前，聚氨酯已经产生较大应变（见图2)，而聚氨酯/蜂 压前高最终 压后 变形回 窝铝复合材料还处于弹性阶段，此时主要是填充在内 试样 度/mm应变/%高度/mm复率/% 部的聚氨酯和蜂窝铝胞壁发生弹性变形，由于蜂窝铝 空芯蜂窝铝 5.00 89.95 0.50 0 对聚氨酯的格栅作用使聚氨酯较难发生变形.(2)应 聚氨酯 5.00 84.33 5.00 100.00 力在到达3MP左右之后，相同应力下聚氨酯/蜂窝铝 聚氨酯/蜂窝铝复合材料5.00 81.80 4.00 75.00 复合材料的吸收能比聚氨酯多且随应力增大吸收能增宋玉环等: 聚氨酯/蜂窝铝复合材料的压缩力学行为及缓冲吸能特性 超弹性材料行为; ( 3) 聚氨酯/蜂窝铝复合材料的应 力--应变曲线则呈现出明显的弹性、屈服和压实三个 阶段． 图 2 空芯蜂窝铝、聚氨酯和聚氨酯填充蜂窝铝的应力--应变曲 线 Fig． 2 Stress--strain curves of the hollow aluminum honeycomb，pol￾yurethane and aluminum honeycomb filled with polyurethane 三种材料中聚氨酯/蜂窝铝复合材料的初始刚度 最大( 见图 2) ． 其原因主要是: 聚氨酯/蜂窝铝复合材 料在初始时主要是内部聚氨酯和蜂窝铝发生弹性变 形，由于蜂窝铝对聚氨酯的格栅作用，使聚氨酯的横向 变形速度减慢，同时由于内部聚氨酯对蜂窝铝胞壁弯 曲的遏制作用，从而使复合材料表现出初始刚度较高． 聚氨酯/蜂窝铝复合材料的屈服平台高度较空芯 蜂窝铝高． 原因主要是: 屈服阶段聚氨酯/蜂窝铝复合 材料的蜂窝铝胞壁开始发生弯曲变形． 聚氨酯纵向受 压，由于其体积不可压缩性，它会发生横向弹性变性， 这种横向变形导致蜂窝铝胞壁内压重分布［19］，一定程 度上遏制胞壁的弯曲变形，使蜂窝铝在较高的应力才 能发生屈服，从而表现出屈服平台的提高． 通过观察压缩后的试样的高度，我们发现空芯蜂 窝铝受压后其高度变得很小，聚氨酯的高度和受压之 前几乎没有什么差别，聚氨酯/蜂窝铝复合材料也和受 压前的高度差别不大，根据经验我们知道，试样变形回 复越大，对冲击物体的反弹作用越大，从而造成二次损 伤的可 能 性 越 大． 表 1 为各种试样的具体变形回 复率． 表 1 压缩试验数据结果 Table 1 Ｒesults of the compression test 试样 压前高 度/mm 最终 应变/% 压后 高度/mm 变形回 复率/% 空芯蜂窝铝 5. 00 89. 95 0. 50 0 聚氨酯 5. 00 84. 33 5. 00 100. 00 聚氨酯/蜂窝铝复合材料 5. 00 81. 80 4. 00 75. 00 另外，我们将三种试样分别取六个试件，分别测出 六个试件压前高度的平均值和压后高度的平均值，其 中压后高度为变形回复后的高度，最终应变由压缩试 验得到并取六个试件的平均值( 试验中每个试件都是 压缩到 10 kN 停止的) ． 根据下面公式 变形回复率 =［压后高度 － 压前高度 × ( 1 － 最终 应变) ］/( 压前高度 × 最终应变) × 100% 计算出变形回复率． 其中压前高度、压后高度、最终应 变分别取的是六个试件的平均值． 表 1 表明，蜂窝铝的加入有效降低聚氨酯的变形 回复率，比例为 25% ，减少聚氨酯弹性能的释放，在一 定程度上减轻汽车碰撞后被回弹速度，从而降低汽车 碰撞过程中二次损伤的可能． 2. 2 聚氨酯/蜂窝铝复合材料的缓冲吸能特性分析 图 3 为聚氨酯/蜂窝铝复合材料压缩后扫描电镜 照片( 横向箭头的方向表示压缩时受力的方向) ． 由图 3 可见: 蜂窝铝胞壁呈弯曲变形，胞壁挤入聚 氨酯的一侧，聚氨酯与胞壁结合的较好; 胞壁脱离聚氨 酯的 一 侧，聚 氨 酯 与 胞 壁 有 发 生 脱 黏 的 趋 势． 如 图 3( c) ，聚氨酯受到胞壁的横向拉伸而产生图示变 形，聚氨酯发生变形的方向正好与试件所受压力的方 向垂直． 由此判断，聚氨酯的拉伸变形发生在受压过 程，并非受压后的变形回复阶段． 聚氨酯/蜂窝铝复合 材料受压后内部聚氨酯发生弹性变形，蜂窝铝胞壁发 生弯曲变形( 见图 3( a) ) ，故聚氨酯/蜂窝铝复合材料 主要是以内部聚氨酯的挤压弹性变形和蜂窝铝的胞壁 弯曲变形来吸能． 单位体积吸收的能量可用 单 位 体 积 的 形 变 功 表示: C = ∫ εm 0 σm dε． ( 1) 式中: C 表示为应力--应变曲线下方的面积，可通过对 曲线积分获得，εm 为压缩过程的任意工程应变; σm 为 εm 所对应的工程应力． 通过应力和应变的积分求出 材料的吸收能并绘出曲线如图 4． 图 4 为聚氨酯和聚氨酯/蜂窝铝复合材料的吸收 能--应力曲线． 由图可见: ( 1) 在应力到达 3 MPa 左右 之前( 图中下部箭头所指的位置既为应力为 3 MPa 左 右，对应图 2 的聚氨酯/蜂窝铝复合材料的初始屈服平 台应力) ，相同应力下聚氨酯/蜂窝铝复合材料的吸收 能比聚氨酯少． 其原因主要是: 应力在 3 MPa 左右之 前，聚氨酯已经产生较大应变( 见图 2) ，而聚氨酯/蜂 窝铝复合材料还处于弹性阶段，此时主要是填充在内 部的聚氨酯和蜂窝铝胞壁发生弹性变形，由于蜂窝铝 对聚氨酯的格栅作用使聚氨酯较难发生变形． ( 2) 应 力在到达 3 MPa 左右之后，相同应力下聚氨酯/蜂窝铝 复合材料的吸收能比聚氨酯多且随应力增大吸收能增 · 5511 ·