用于头盔的负泊松比TPU垫的防护性能：针对钝击防护的设计改进研究

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Protective Performance of auxetic TPU pad for Helmet: An Investigation into Design Improvements for Blunt Impact Protection

传统头盔泡沫垫在高速冲击下的能量吸收不足，本研究以TPU-LW材料为基体，通过3D打印设计auxetic复合结构垫，结合有限元仿真与头目标击实验，验证了“auxetic+泡沫”复合垫在14.5mm回弹变形和22.7%应力降低方面的优势，填补了TPU-LW材料在高速弹道防护中的生物力学数据空白。

　　本研究聚焦于提升头盔在高能冲击场景下的保护性能，尤其是针对碎片和子弹等复杂弹道情况。传统泡沫垫在应对钝击时的吸能能力有限，无法满足战场环境下对头盔防护的高标准要求。为此，研究团队提出了一种创新的“负泊松比材料（auxetic）+泡沫”复合垫结构，旨在优化材料性能，实现更高效的能量吸收与应力控制。该研究不仅填补了在高能弹道保护方面关于auxetic TPU-LW材料的生物力学数据空白，还为军用头盔垫的升级提供了理论依据和技术支持。

在研究过程中，团队首先使用轻质膨胀型热塑性聚氨酯（TPU-LW）作为基础材料，并通过3D打印技术制造了垫片样品。TPU-LW因其优异的弹性、耐磨性和可加工性，被认为是高性能防护垫的理想材料。为了准确描述其材料特性，研究者通过单轴拉伸实验建立了TPU-LW的本构模型。基于该模型，团队进一步进行了有限元模拟，发现单一的auxetic垫片在高速冲击下会导致颅骨应力集中，从而增加头部受伤的风险。因此，提出了一种复合结构，将TPU-LW与泡沫材料结合，以期在保持良好吸能能力的同时，有效分散冲击力，减少局部应力。

为了验证这一设计的有效性，团队进行了9毫米手枪子弹和1.1克碎片的实弹测试。实验结果显示，复合垫片在关键的头部钝击指标上表现优于单一的auxetic垫片和传统泡沫垫。在高速碎片冲击条件下，头盔的最大后表面变形（BFD）降至14.50毫米，而颅骨峰值应力比传统泡沫垫降低了22.7%。此外，实验还表明，在714米/秒的碎片冲击下，复合垫片的峰值头部压力仅为25千帕，远低于传统泡沫垫的165千帕。这些结果充分说明，复合结构在高能冲击场景下具有显著的保护优势。

在研究背景方面，头部钝击伤害是战场上对士兵安全构成重大威胁的因素之一。冲击力的传递会导致颅骨应力迅速上升，并可能引发一系列脑部损伤，如脑震荡等。因此，作为头部保护的核心装备，头盔垫的防护性能直接决定了其对钝击的缓冲和吸能能力。提升头盔垫对钝击伤害的缓解能力一直是防护技术研究的重点。

负泊松比材料因其独特的“拉伸时膨胀、压缩时收缩”特性，在能量吸收和变形协调方面展现出良好的潜力。许多研究已经证明，基于负泊松比结构的头盔垫能够有效应对冲击载荷。例如，D3O公司开发的集成头盔保护系统（IHPS）中，采用了向内弯曲的蜂窝状负泊松比材料，进一步增强了对后表面变形能量的吸收能力。Foster等人则利用具有负泊松比特性的聚氨酯泡沫，强化了运动头盔的贴合层，从而提高了线性冲击后的减速度效果，并降低了创伤性脑损伤的风险。此外，Impressio公司制造的足球头盔垫，采用3D打印的弹性泡沫格子结构，表现出优异的冲击能量吸收能力。Hexr公司开发的自行车头盔垫，基于3D打印的蜂窝结构，其冲击阻力比传统泡沫材料提高了68%。这些研究均表明，负泊松比材料在头盔防护领域具有广阔的应用前景。

然而，现有研究大多集中在低速冲击条件下的能量吸收性能，缺乏对高速冲击场景的深入探讨。特别是在高能弹道冲击下，负泊松比材料可能因特殊的“聚集”效应导致应力集中，从而增加头部受伤的可能性。因此，如何在保持良好吸能能力的同时，优化材料结构以实现有效的应力控制，成为本研究的核心问题。为此，研究团队采用了一种结合仿真与实验的方法，对头盔在钝击情况下的性能进行了系统分析。

研究过程中，团队首先构建了一个高保真度的有限元模型，模拟了人体头部和颈部的解剖结构，包括颅骨、大脑、小脑和脑脊液等关键组织。该模型为后续的冲击仿真提供了坚实的基础。随后，团队通过有限元分析揭示了单一auxetic TPU-LW垫片在高速冲击下的应力集中机制，并据此设计了“TPU + 泡沫”复合垫结构。为了进一步验证该结构的性能，研究者还搭建了一个钝击测试系统，包括自研的仿生头部靶标、锡箔靶速度测量系统和PVDF数据采集测试系统。这些实验设备能够准确测量头部在碎片冲击下的压力参数，从而评估不同材料结构的防护效果。

在实验设计方面，团队特别关注了材料的结构优化问题。例如，研究小组曾提出一种具有三维凹六边形蜂窝结构的auxetic垫片，该结构已被证明在抗冲击波方面具有良好的性能。在本研究中，团队对这一结构进行了改进，以增强其在弹道冲击下的防护能力。具体而言，通过调整蜂窝单元的尺寸，并在结构中加入连接杆，使垫片在承受冲击时能够更好地分散应力，提高整体的抗冲击性能。

此外，团队还对TPU-LW材料的加工工艺进行了深入研究。在使用熔融沉积制造（FFF）技术打印TPU材料时，喷嘴温度是影响打印质量的关键因素。通过优化喷嘴温度，研究者能够提高TPU-LW材料的粘度适应性，从而实现复杂结构的高质量打印。研究表明，当喷嘴温度设置为215°C时，能够获得最佳的层间结合强度，确保打印出的垫片具有良好的机械性能。同时，团队还发现，TPU-LW材料在打印过程中表现出明显的各向异性，层间强度对打印参数非常敏感。因此，合理选择打印参数对于确保材料性能的稳定性和一致性至关重要。

在测试方法上，团队采用了多种手段来评估不同材料结构的防护效果。例如，通过对比不同泡沫材料的性能，研究者发现，结合PU108泡沫与箭头形auxetic TPU格子结构的垫片在低速冲击条件下表现出更优异的防护能力。而在高速冲击条件下，单一的泡沫垫或auxetic垫片均无法有效控制冲击力的分布，导致颅骨承受过大的压力。因此，研究团队认为，必须在材料设计和结构优化方面进行综合考虑，才能实现更高效的防护效果。

为了进一步验证复合垫片的性能，团队还进行了实弹测试。通过将复合垫片应用于头盔，并使用高速碎片进行冲击实验，研究者发现，该垫片在关键的防护指标上表现优于传统材料。例如，在714米/秒的碎片冲击下，复合垫片的峰值头部压力仅为25千帕，远低于传统泡沫垫的165千帕。这表明，复合垫片在高速冲击下能够有效降低头部所承受的压力，从而减少受伤风险。

在研究过程中，团队还参考了大量相关的实验和仿真数据。例如，Cai等人开发了一个高保真的有限元模型，模拟了子弹对头盔的冲击效果。研究表明，当头盔内填充泡沫时，颅内压力峰值降低了20.6%，同时头盔的后表面变形减少了约10%。这一发现为后续的防护性能研究提供了重要的参考。此外，Li和Palomar等人研究了头盔泡沫垫的硬度、佩戴间隙、壳体厚度和冲击方向等因素对头部伤害的影响，为材料设计提供了理论依据。Aranda则开发了一个仿生头部靶标，用于研究手枪子弹对头盔的冲击效果，并通过数值模拟评估了不同冲击条件下颅骨骨折的概率。Harmukh等人则对三种不同类型的头部模型进行了钝击测试，测量了后表面变形和颅内压力等关键参数，进一步揭示了弹道冲击下头部与头盔的运动响应机制。

综上所述，本研究在材料选择、结构设计和实验验证等方面均进行了系统性的探索。通过将TPU-LW与泡沫材料结合，团队成功设计出一种复合结构，该结构在高速冲击下能够有效降低颅骨应力，并减少头部所承受的压力。这一成果不仅填补了在高能弹道保护方面关于auxetic TPU-LW材料的生物力学数据空白，还为军用头盔垫的优化提供了理论和技术支持。未来，这一复合结构有望应用于更广泛的防护装备领域，为提升防护性能提供新的思路和解决方案。