设计更安全的攀岩垫：泡沫、外壳与滞留空气在性能中的作用机制研究

本研究针对抱石攀岩坠落防护垫的力学性能开展深入分析，通过准静态压缩和跌落测试探究了泡沫材料（开孔/闭孔）、PVC外壳及滞留空气对垫体能量吸收特性的独立与协同作用。研究发现低速加载下泡沫起主导作用，而高速冲击下滞留空气成为影响垫体响应的关键因素，为优化攀岩垫防护性能提供了关键设计依据。

　　

在室内抱石攀岩这项日益流行的运动中，运动员需要在高达4.5米的墙面上进行无绳索保护攀登，这使得坠落成为常态而非意外。令人担忧的是，抱石运动占据了攀岩伤害事件的76%，且伤势往往比其他攀岩形式更为严重——约70%-90%的伤害直接来自于坠落冲击。虽然欧洲标准EN 12572-2规定了攀岩垫的生产和放置标准，这些通常由聚合物泡沫块和聚氯乙烯(PVC)织物外壳组成的防护装备，其内部工作机制却鲜为人知。

尽管聚合物泡沫的力学性能已有较深入研究，已知其在压缩过程中会经历线性弹性、平台和致密化三个阶段，且柔性泡沫的平台阶段能通过细胞结构屈曲吸收冲击动能，但当这些泡沫被封装在外壳中形成完整攀岩垫时，整体性能却不再是简单的材料叠加。特别是外壳内部滞留的空气可能产生的气垫效应，以及外壳本身的结构刚度，如何影响垫体在高速冲击下的能量吸收特性，成为设计中未被阐明的黑箱。此前的研究多集中于泡沫本身或其它运动防护垫，缺乏对攀岩垫这种特定组合系统的专门分析，使得制造商难以进行有针对性的性能优化。

为填补这一知识空白，由Erwan Beurienne领衔的研究团队在《Results in Engineering》发表了这项开创性研究。研究人员通过系统的实验设计，分离了泡沫材料、PVC外壳和滞留空气这三个关键因素，首次揭示了它们在不同加载条件下的独立贡献和交互作用。

研究采用了两种典型测试方法：准静态压缩测试(应变率0.0067s^-1)和跌落测试(冲击物质量7.5kg，跌落高度0.25-2.5m)。测试样本包括开孔与闭孔聚氨酯泡沫(密度分别为28kg/m3和24kg/m3)，分别设置无外壳和有PVC外壳两组情况。团队创新性地在外壳内部安装压力传感器，同步监测压缩过程中的力、位移和内部压力变化。通过计算应力、应变、应变率和吸收能量(应力-应变曲线下面积)等指标，全面表征了垫体的力学响应。

关键技术方法包括：1)使用液压伺服系统进行准静态压缩测试；2)自定义跌落测试台进行动态冲击实验；3)通过高速摄影(1000fps)进行位移测量；4)内部压力实时监测技术；5)数据插值处理获得恒定应变率下的应力-应变曲线。样本为15cm立方体，包含5个样本每组条件，测试遵循ASTM D395标准的预处理协议以消除Mullins效应。

准静态压缩测试结果显示，有外壳和无外壳样本都表现出典型的三阶段泡沫行为：线性弹性、平台和致密化。添加外壳仅使应力适度增加(1.25倍)，内部压力始终接近零，表明空气有足够时间从缝线和拉链处逸出。这证实了在低速压缩下，泡沫性能占主导地位，外壳仅因其刚度提供有限贡献。

跌落测试结果呈现出截然不同的图景：无外壳样本保持三阶段响应，而有外壳样本则表现出更线性的应力-应变关系，平台阶段消失。在40%应变时，闭孔泡沫有外壳样本的应力是无外壳的9倍(73.1kPa vs 7.8kPa)，单位体积能量吸收增加5倍(14kJ/m3 vs 2.7kJ/m3)。同时，内部压力显著上升至0.63bar(闭孔)和0.36bar(开孔)，表明空气被有效滞留。应力与压力在30%应变内呈现伪线性关系，证明滞留空气对力学响应有直接贡献。

压力测量结果揭示了关键机制：在准静态条件下内部压力稳定在接近零；而在动态冲击下，压力随应变增加而上升，直至约0.7bar时达到平台期，表明此时空气逃逸速率与压缩速率达到平衡。更高的冲击速度导致更少空气逸出，从而产生更高内部压力和应力响应。

讨论部分深入分析了这些发现的意义。在低速压缩下(如攀岩垫上行走)，泡沫性能主导体验舒适度；而在高速冲击下(坠落情景)，滞留空气成为影响垫体响应的关键因素。这种机制转变解释了为何有外壳垫体表现出更线性而非平台状的应力-应变响应——虽然能吸收更多能量，但也可能导致更高的应力传递，需在设计中谨慎平衡。

研究还发现，覆盖外壳后，不同泡沫类型(开孔、闭孔和额外测试的团聚泡沫)的力学差异被显著弱化，表明外壳和滞留空气效应可能掩盖泡沫本身特性。这提示制造商在选择泡沫时可优先考虑低速舒适性，而通过调整外壳透气性(缝制方式、闭合系统、通风孔设计)来优化高速冲击性能。

该研究对攀岩垫设计具有直接指导意义：首先，需要分别考虑低速和高速两种工况下的性能需求；其次，外壳透气性成为可调节的设计变量，通过选择缝制而非焊接工艺、使用特定闭合系统等方式控制空气滞留量；最后，应进一步研究实际坠落中的冲击速度谱，以完善测试标准。

这项研究突破了传统上仅关注泡沫材料的局限，首次揭示了攀岩垫作为一个完整系统的复杂工作机制。研究证明，通过智能设计外壳透气性，可以调控滞留空气的缓冲效应，从而在不增加垫体厚度和重量前提下提升防护性能。这些发现不仅适用于攀岩运动，也为其它需要冲击防护的领域(如 gymnastics、摩托车运动等)提供了设计思路，标志着运动防护装备设计从经验性向科学性转变的重要一步。