人工软骨仿生材料在引信缓冲中的应用

陈润峰, 石庚辰, 张 力，邱强强，魏雪霞

(1.北京理工大学机电动态控制重点实验室，北京 100081；2.西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

弹载测控装置的缓冲保护是引信研究中的热点问题，对智能弹药系统的正常工作具有非常重要的意义，为了减小引信元件受到的加速度过载，需要使用缓冲材料对其进行缓冲保护[1]，目前常用的缓冲材料有泡沫铝、聚四氟乙烯、聚氨酯等。文献[2—3]通过空气炮试验对泡沫铝材料进行了测试，结果表明泡沫铝具有良好的缓冲性能，但在缓冲过程中会被压实，产生不可恢复的形变。文献[4—5]研究了厚度对泡沫铝缓冲效果的影响，发现当厚度较小时，垫片自身的变形会削弱缓冲效果。文献[6]对尼龙、聚氨酯、聚四氟乙烯、胶皮、聚甲醛等多种缓冲材料进行了测试，发现聚氨酯、聚甲醛、胶皮的缓冲效果相对较好，而聚四氟乙烯的缓冲效果较为有限，其缓冲性能主要体现在对应力波的过滤和整形方面[4]。随着弹速的提高，过载加速度逐渐增加，需要探索更高效率的缓冲材料和防护方法。本文针对此问题，提出了使用人工软骨仿生材料作为弹载缓冲材料。

1 材料与测试方法

1.1 人工软骨仿生材料

人工软骨仿生材料是基于人体软骨的功能和结构设计的一种具有三维超微结构的新型高分子材料，如图1所示，其主要成分是聚氨酯。

图1 人工软骨仿生材料Fig.1 Artificial cartilage biomimetic material

人工软骨仿生材料使用化学反应合成，通过在20～200 nm的尺寸下调整材料内部分子结构，使材料的结构与人体软骨相接近。在材料受到冲击时，其内部分子侧链在高弹态下产生形变，延长被缓冲物体速度变化的时间，同时通过形变将冲击的动能转化为热能，最高可吸收90%以上的冲击力。

目前人工软骨仿生材料已广泛应用于运动保护、运输防护、机械减震、航空航天等多个领域。

1.2 缓冲材料测试方法

缓冲材料的测试试验主要可分为静态压缩试验和动态压缩试验，其中静态压缩试验可以获得材料的静态应力-应变曲线，用以确定材料在工程装配时的初始状态。本文使用材料压缩试验机对人工软骨仿生材料进行了静态压缩试验，得到的应力-应变曲线如图2所示。

图2 人工软骨仿生材料的静态应力-应变曲线Fig.2 Static σ-ε curves of artificial cartilage biomimetic material

在缓冲材料的动态测试方法中，较为常见的有落锤试验[7]、分离式霍普金森压杆试验[8]、空气炮测试试验[3]以及马歇特锤试验[9]。综合考虑材料特性、过载特征、装配环境、试验成本等因素，本文选择马歇特锤试验装置对人工软骨仿生材料进行测试。

马歇特锤试验装置由砧座、锤头、锤柄及重物四个部分组成，试验时将待加载部件与锤头固连，使用重物下落给锤柄提供转动力矩，通过不同速度的锤头与刚性砧座碰撞，最高可产生幅值4万g左右，持续时间约100 μs的加速度过载，其试验装置如图3所示。

图3 马歇特锤试验装置Fig.3 Machete hammer experimental device

马歇特锤试验装置产生的过载幅值和持续时间较为有限，但可重复性较好，操作流程简便，因此本测试选择马歇特锤试验装置提供外界加速度过载。

2 人工软骨仿生材料在引信缓冲中的应用

使用人工软骨仿生材料制作的缓冲垫片代替传统缓冲垫片置于被保护元件的前后，对其进行缓冲保护。本文中使用的垫片为圆环状垫片，圆环外径为60 mm，内径为23 mm。

为了使马歇特锤的加载环境与弹上装配环境更加接近，设计如图4所示的模拟加载装置。

图4 模拟加载装置示意图Fig.4 Schematic diagram of analog loading device

模拟加载装置通过下方的螺纹与马歇特锤头固连，整体随锤头转动并与锤头一起撞击砧座。中部的质量块用以代替实际工况中被缓冲的部件，受到上下缓冲材料的保护，上部的底盖对内部整体进行压紧，并通过旋紧程度提供一定预压。在马歇特锤头与砧座发生碰撞时，位于上方的传感器1获取整个装置刚性碰撞的加速度信号，即未加缓冲措施的加速度信号；固连于质量块上的传感器2获取经过缓冲之后的加速度信号。通过对比两个传感器获取的加速度信号，可以分析被测垫片的缓冲效果。

试验中使用的传感器均为压电型加速度传感器，输出的信号经由电荷放大器转换后，通过示波器记录。

3 试验结果与分析

采用上述测试方法，对传统缓冲垫片和人工软骨仿生材料垫片进行了缓冲性能测试，测试中马歇特锤的齿数为23齿，模拟加载装置的内径为60 mm，被缓冲的质量块为250 g。

3.1 人工软骨仿生材料的缓冲性能测试

为了测试人工软骨仿生材料的缓冲性能，选取总厚度18 mm的人工软骨仿生材料垫片进行试验。作为对比，在相同条件下对由聚氨酯、聚四氟乙烯等组成的传统缓冲垫片进行测试，测试中上下缓冲垫片的厚度均为9 mm，得到的加速度-时间曲线如图5、图6所示。

图5 传统缓冲材料测试曲线Fig.5 Traditional cushion material testing curve

图6 人工软骨仿生材料测试曲线Fig.6 Artificial cartilage biomimetic material testing curve

从图5可以看出，马歇特锤23齿时产生的加速度过载峰值在4万g左右，持续时间约100 μs，经过传统缓冲材料的缓冲之后，其峰值降为2.3万g左右，持续时间约140 μs。

与之相比，图6中经过人工软骨仿生材料缓冲之后的加速度曲线峰值更小，约为5 500g，其持续时间更长，约为650 μs。具体数值及缓冲效果如表1所示，表中材料A为传统缓冲材料，材料B为人工软骨仿生材料。

表1 传统缓冲材料和人工软骨仿生材料 缓冲效果对比Tab.1 Comparison of cushion effect between traditional cushion material and artificial cartilage bionic material

由此可以看出，人工软骨仿生材料在相同的试验条件下，减小加速度峰值、延长加速度时间的缓冲性能比传统缓冲材料更好。

3.2 厚度对缓冲性能的影响

在单方向的冲击试验中，位于下部的缓冲垫片起主要作用，因此为了研究厚度对材料缓冲性能的影响，在总厚度18 mm的基础上将下缓冲垫片的厚度分别改为3、5、9、12 mm进行试验，其中厚度为3 mm时的加速度-时间曲线如图7所示，具体试验结果如表2所示。

表2 厚度对缓冲效果的影响Tab.2 Influence of thickness on cushion effect

图7 材料厚度3 mm测试曲线Fig.7 Test curve of 3 mm thick material

将加速度峰值降低的百分比除以对应的垫片厚度3、5、9、12 mm，得到单位厚度(mm)的材料降低加速度峰值的效果，分别为20%、14.6%、9.6%、7.5%。可以看出，随着材料厚度的增加，材料整体体现出的缓冲效果逐渐增强，但单位厚度的材料体现出的缓冲效果逐渐减弱。

3.3 人工软骨仿生材料的重复冲击试验

对同一组人工软骨仿生材料垫片进行多次重复冲击试验，测试材料在冲击后缓冲性能的变化，试验中下缓冲材料为12 mm，上缓冲材料为6 mm，其中第1次和第4次试验的加速度-时间曲线如图8、图9所示。

由于经过缓冲之后加速度曲线幅值较小，与未经缓冲的加速度信号相比变化不明显，所以图8、图9采用双Y轴的形式显示，左侧Y轴刻度为未经缓冲的加速度信号，右侧Y轴刻度为缓冲过后的加速度信号。

图8 材料厚度12 mm第1次测试曲线Fig.8 The first test curve of 12 mm thick material

图9 材料厚度12 mm第4次测试曲线Fig.9 The fourth test curve of 12 mm thick material

需要特别说明的是，缓冲后的加速度曲线在冲击结束之后未回到电压零点，产生了零漂现象，但由于本试验为单次冲击，两次试验时间间隔较长，在下一次冲击时，传感器的输出(零漂)已经回到电压零点。因此，尽管在试验中出现零漂现象，但对下一次试验的幅值和脉宽影响不大。四次试验的具体结果如表3所示。

表3 人工软骨仿生材料的重复冲击试验Tab.3 Repeated impact test of artificial cartilage bionic material

从表3中可以看出，在峰值约4万g，持续时间约100 μs的加速度过载下，12 mm厚度的人工软骨仿生材料将加速度过载峰值降低90%左右，且同一组缓冲材料在多次重复试验下厚度无明显变化，缓冲效果效果也无较大差别，说明了人工软骨仿生材料在冲击后缓冲性能保持稳定。

4 结论

本文提出了将人工软骨仿生材料用作弹载缓冲材料，使用该材料制作了缓冲垫片，并结合马歇特锤对垫片进行了缓冲性能测试。测试结果表明：在幅值约4万g，持续时间100 μs左右的加速度过载下，人工软骨仿生材料的缓冲性能优于传统缓冲材料。随着厚度的增加，材料整体的缓冲效果逐渐增强，但单位厚度材料的缓冲效果逐渐减弱。在多次重复试验下，人工软骨仿生材料的缓冲性能保持稳定，为弹体内部缓冲材料的选择和设计提供了一定的参考。