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材料冲击性能研究中，传统宏观测试昂贵，微尺度测试结果能否用于宏观存疑。研究人员对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）进行微、宏观冲击测试，发现最小穿孔速度与系统性质相关。该研究为材料冲击性能评估提供新方法。
在生活中，我们常常会遇到各种物体受到冲击的情况。比如汽车挡风玻璃要抵御路上飞来的小石子，飞机和航天器则需承受高速撞击的微小颗粒。不同的冲击事件，其规模、速度和能量差异巨大。以往研究材料的冲击性能，多采用宏观尺度的弹丸冲击测试，用不同材料和尺寸的弹丸，速度最高可达 2000m/s，以此确定穿孔发生时的临界速度。但这种测试成本高，不仅需要大量材料，而且耗时久。后来出现了激光诱导弹丸冲击测试（LIPIT），它可以让微弹丸冲击超薄薄膜，能在微尺度下研究材料的冲击性能。不过，微尺度测试的结果能不能反映材料在宏观尺度下的性能，一直是个有待解决的问题。
为了解决这个问题，来自美国密西西比州立大学的研究人员开展了一项关于聚合物冲击性能的研究。他们对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）这两种聚合物薄膜进行了微观和宏观弹丸冲击测试，相关研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。
研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是激光诱导弹丸冲击测试（LIPIT），用于进行微尺度的弹道冲击实验；二是 Buckingham Π 理论，通过将关键变量整理成无量纲量，把物理相似的系统联系起来，对所有冲击测试结果进行分析。
微弹丸冲击研究
研究人员使用 LIPIT 进行微尺度弹道冲击实验。实验中，半径为 10μm 的二氧化硅微弹丸，从由玻璃盖玻片、金层和聚二甲基硅氧烷层组成的发射台，经激光烧蚀发射出去，以一定的冲击速度 vi 穿透聚合物薄膜。
结果
冲击测试结果显示，在所有测试中，vr<vi，这表明聚合物在冲击过程中消耗了能量。通过对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）系统的冲击能量进行重新缩放，发现可以对不同冲击测试方法、材料类型和测试几何形状的结果进行比较。而且，对于这两种聚合物系统，尺寸比与冲击性能之间都呈现正相关关系。在 PMMA 中，最小穿孔速度 V0 通常会随着聚合物薄膜厚度的增加或弹丸尺寸的减小而增加，最高可达约 470m/s 。
讨论
研究表明，重新缩放冲击能量后，能够对比不同条件下的测试结果。对于 PMMA 和 PC，尺寸比例和冲击性能之间存在关联。PMMA 的最小穿孔速度与薄膜厚度、弹丸尺寸有关，这些结果有助于理解聚合物的材料特性对其冲击性能的影响。
结论
研究人员通过对不同尺寸的球形弹丸和不同厚度的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）薄膜进行微观和宏观弹道冲击实验，证明了最小穿孔速度（评估冲击性能的指标）与系统的几何和材料特性有关。Buckingham Π 理论成功应用于对比所有冲击测试结果，为研究聚合物在不同尺度下的冲击性能提供了重要依据，有助于更深入地理解材料在冲击过程中的行为，为材料的设计和应用提供参考。这一研究成果在材料科学领域具有重要意义，有望推动高性能材料的研发和应用，提高材料在各种冲击环境下的性能表现。
