基于准静态压缩数据预测新型可持续组织模拟物中的侵彻性能：弹道明胶替代材料的力学与环境效益评估

本综述系统评估了食品级明胶（包括传统猪源明胶与素食替代品如卡拉胶Carrageenan和琼脂Agar Agar）作为弹道明胶（10% Ballistic Gelatine）替代材料的可行性。通过准静态压缩实验（Quasi-Static Compression Testing）和动态冲击测试（Dynamic Testing），研究揭示了这些材料在透明度、可重复性及环境效益（如碳足迹Carbon Footprint和水消耗Water Consumption）方面的优势，同时指出高应变率下动态响应与准静态数据缺乏相关性（No Correlation），为创伤弹道学（Wound Ballistics）和弹药杀伤力评估（Lethality Assessment）提供了可持续研究新方向。

　　

引言

弹道明胶（Ballistic Gelatine）历来是评估弹药杀伤力、生存力和创伤弹道学的行业标准材料。这种生物聚合物被用于模拟人体组织，并研究永久性和临时性空腔形成。然而，近年研究指出使用食品级明胶可降低研究项目的经济成本并减少单一供应商带来的环境影响。本研究通过准静态压缩测试比较猪源明胶与素食替代品（如卡拉胶和琼脂）的性能差异、可重复性、制造考量及透明度，并以10%弹道明胶作为对照。素食替代品被确定为有潜力的候选材料，可减少传统明胶生产中的伦理和环境问题。研究发现，在低应变率下，猪源和素食替代品均能提供优于10%弹道明胶的性能、透明度和可重复性；但动态测试显示，准静态与动态数据集间无相关性，材料在冲击下的全局和局部响应存在显著差异。

材料与方法

材料制备使用聚甲醛（POM）模具，尺寸为25毫米直径×25毫米高度，以确保样品表面无缺陷。动态测试则采用铝模具（9英寸×4英寸×4英寸）。所有材料均单独制备并倒入模具，在3–5°C冰箱或室温下固化。模具内壁喷涂脱模剂以减少脱模损伤。

弹道明胶（GELITA 10% ordnance gelatine）按100克粉末与1升70°C热水混合，并探讨了三种静置方法以减少气泡：21°C静置2小时、18°C静置6小时（环境温度）、70°C水浴冷却至室温（约2小时）。结果表明，18°C静置法气泡最少，性能最优。

食品级明胶包括立方体预制品（Hartley’s Lemon Jelly，1:0比例）和粉末明胶（240 bloom猪源，1:4和1:6比例）。素食替代品为卡拉胶Kappa和琼脂Agar Agar，比例从1:10至1:60（以0.05递增）。琼脂需在100°C加热搅拌，而卡拉胶需逐步稀释至1:30方可浇注。

准静态压缩测试使用Zwick 1445万能试验机，以5毫米/分钟速度进行，记录力-位移曲线，并用高速摄像机（10Mp Velbon）记录材料响应。动态测试采用4.5毫米AISI420钢球（0.4克），以180米/秒速度射击，通过Phantom V12-12高速相机（28,000 fps）捕获冲击响应。

结果与讨论

制造温度对材料性能影响显著。10%弹道明胶在18°C静置样品表现最佳，平均最大载荷93.05牛（标准差13.14），变形14.64毫米（标准差1.18），气泡最少。70°C水浴样品出现表面坑洼（与脱模剂混合导致），性能下降（平均载荷23.30牛）。样品取向和表面缺陷（如切削毛刺）也会影响变形模式，常见桶形变形（Barrelling）但水浴样品出现异常剪切。

食品级猪源明胶粉末在1:4比例下平均失效载荷357.01牛（变形16.18毫米），远超10%弹道明胶（90.16%差异），且弹性恢复良好，但1:6比例性能降低（135.15牛）。立方体明胶（Hartley’s Jelly）表现出极高载荷耐受性（平均952.69牛）和变形能力（21.49毫米），但含永久塑性变形（~10%高度损失）。透明度评估显示，1:6比例猪源明胶与10%弹道明胶相当，而1:4比例略有变色，但可通过强光补偿。

素食材料中，卡拉胶Kappa在1:15–1:20比例下载荷较高（245.69牛和166.28牛），但缺乏弹性；1:25比例最优（96.18牛，弹性恢复好）。琼脂则表现出高刚度，早期剪切失效，不利于弹道应用。所有材料中，较高比例（更稀）减少气泡但降低性能（最高82.96%）。制造上，猪源材料更易均质化，而素食材料需更长时间（+10分钟/模具）和混合努力。

动态测试显示，准静态性能优势未转化为高应变率响应。弹道冲击下，材料全局（整体变形）和局部（空腔形成）响应与准静态数据无关联，强调应变率依赖性在材料选择中的重要性。

结论

食品级明胶（尤其猪源1:4比例和卡拉胶1:25）在准静态压缩下表现出优于10%弹道明胶的机械性能、透明度和可重复性，且具有环境效益（如减少碳足迹和水消耗）。然而，动态测试揭示高应变率下响应不相关，表明这些材料适用于低应变率研究，但弹道应用需进一步优化。制造温度、气泡控制和表面处理是关键影响因素。未来工作应探索成分调整以增强高应变率性能，并深化环境经济评估。