开孔陶瓷泡沫中爆轰波渗透与断裂行为的实验研究

《International Journal of Impact Engineering》：Experimental study of blast wave infiltration and fracture behavior in open-cell ceramic foam

　　

# 摘要

本研究通过实验研究了开孔陶瓷泡沫在受控爆炸载荷下的动态响应，重点关注爆炸波渗透（BWIs）和爆炸诱发断裂（BIFs）。准静态压缩试验建立了基准力学响应，表现出典型的弹性、平台阶段和致密化阶段特征。采用受控激波管实验、同步压力测量、高速成像、背景定向纹影（BOS）和数字图像相关（DIC）技术，表征了爆炸波传播以及动态加载过程中全场位移、表面速度和主应变的演化。压力-时间历程表明，当爆炸波通过互连多孔结构传播时，透射爆炸波呈渐进衰减并出现时间延迟。在入射压力为100 kPa、激波速度为500 m/s的条件下，观察到透射峰值压力降低了约38.3%，压力传递比从无泡沫时的1.20降至0.69。DIC分析揭示了下游变形的延迟、显著的表面速度梯度和断裂起始前的局部拉伸应变。实验观察表明，爆炸波透射由耦合的流体-结构相互作用控制，涉及空气-泡沫界面的部分反射、通过互连孔道网络的传播、通过陶瓷骨架的应力波传递以及渐进的断裂演化。这些发现为爆炸衰减和断裂机制提供了定量认识，为轻质抗爆多孔材料的设计提供了指导。

## 引言

保护结构和人员免受爆炸损伤是国防、航空航天和关键基础设施领域面临的紧迫挑战。现代军用和民用基础设施的保护系统日益依赖先进的能量吸收材料来承受爆炸和冲击事件等高强度动态载荷场景。利用多孔材料进行爆炸波耗散/减缓是一种极具前景的保护重要结构和战斗车辆的方法[1]。多孔材料，特别是开孔泡沫，由于其卓越的吸能能力、轻质特性和在动态载荷条件下的结构可调性而备受关注[2,3]。由聚合物、陶瓷和金属组分制成的开孔泡沫因其在压缩和动态载荷条件下的低密度、高孔隙率和卓越的能耗散能力而成为有前景的候选材料[4,5,6,7]。与闭孔泡沫不同，开孔结构允许波通过其互连孔道传输，提供了一种独特的爆炸波渗透机制，并结合局部变形和断裂实现能量耗散。开孔泡沫中固有的曲折流路使其在涉及流体渗透和动态载荷减缓的应用中尤为有效。然而，此类泡沫在极端爆炸环境中的性能，包括波渗透和随后的结构退化机制如断裂和局部坍塌，仍然是一个积极的研究领域。

爆炸波与多孔材料的相互作用呈现一个复杂的物理问题，涉及激波传播、流体-结构相互作用和材料失效。当爆炸波遇到开孔结构时，一部分波能被反射，一部分被透射，而有很大一部分通过泡沫筋条的内部摩擦、湍流和局部变形而被衰减[8,9,10,11]。衰减和渗透程度受多种参数控制，包括泡沫孔隙率、孔径大小、筋条厚度和材料刚度。实验研究和数值模拟表明，开孔泡沫能够显著延迟并降低透射压力脉冲的幅值，使其成为爆炸减缓系统的理想候选材料[12,13,14,15]。尽管研究兴趣不断增长，但很少有实验成功表征了泡沫结构中爆炸波渗透的瞬态演化，特别是在受控激波管环境中。大多数先前的研究依赖于简化的1D近似[16,17]，或者侧重于准静态和低速度冲击条件，无法捕捉爆炸载荷的真正瞬态特性。此外，关于爆炸条件下内部运动学响应（如位移和速度历程）与泡沫中损伤或断裂起始之间的相关性文献也有限。理解这种关系对于设计不仅能在时空上吸收还能延迟或扩散能量传递的泡沫基保护系统至关重要。

先前的研究表明，开孔泡沫的准静态压缩行为由三个主要阶段控制：线性弹性、平台变形（归因于孔壁屈曲或弯曲）和致密化[18,19,20]。然而，在高应变率加载下，惯性效应、局部绝热加热和速率相关的材料性能显著改变了这种应力-应变行为。这些变化不仅影响泡沫的吸能能力，还影响其在爆炸载荷下的断裂抗力和失效模式。不同加载条件下这些力学响应的相互作用是本研究的基础。爆炸-泡沫相互作用的另一个关键方面是泡沫内部压力场和速度场的时空变化。尽管几项数值研究[21,22,23]探讨了多孔材料在爆炸载荷下的动态响应，但能够同时捕捉开孔陶瓷泡沫中爆炸波渗透、全场变形和断裂演化的全面实验研究仍然有限。因此，本研究利用同步激波管测量和高速数字图像相关（DIC）技术，专注于实验表征这些机制，从而深入理解多孔陶瓷材料在爆炸载荷下的动态响应。

开孔碳化硅（SiC）泡沫对动态载荷的响应涉及波传播、压力渗透和材料断裂等复杂现象。尽管金属和聚合物泡沫在动态载荷下的研究已相当广泛[2,24,25,26,27]，但陶瓷泡沫，特别是SiC泡沫的研究仍然有限，尽管其在工业上有大量应用。SiC的高孔隙率和脆性引入了独特的挑战，包括爆炸载荷下的应力集中和裂纹扩展，值得进一步探索。理解这些行为对于优化泡沫设计以提高防护性能至关重要。先前对爆炸载荷下多孔材料的研究主要关注其吸能和冲击衰减能力[28,29,30]。例如，聚合物泡沫已通过塑性变形耗散爆炸能量[31,32]，而金属泡沫则基于致密化机制[18,33,34]。另一方面，陶瓷泡沫由于其脆性而表现出独特的断裂模式，这在爆炸场景中的相关研究有限。近期的实验和数值研究强调了激波渗透到多孔结构中是影响其动态响应的关键因素。渗透效应决定了材料内部的压力分布，显著影响应力集中和断裂模式。然而，高强度爆炸载荷条件下SiC泡沫的动态响应仍然研究不足。陶瓷泡沫的断裂力学已在静态和准静态条件下进行了研究，但爆炸载荷下的动态断裂带来了额外的复杂性。应变率敏感性、孔道结构和材料各向异性等因素在控制泡沫失效机制中起着关键作用。计算研究为类似材料中的应力波放大和裂纹扩展提供了见解，但缺乏对SiC泡沫的全面实验验证。开孔SiC泡沫中爆炸波的渗透和随后的断裂机制代表了爆炸力学领域的一个重要知识空白。

除测量压力衰减和冲量变化外，本研究还关注泡沫结构的爆炸诱发断裂。爆炸载荷施加陡峭的压力梯度和高应变率，可能导致局部筋条断裂和多孔结构的灾难性坍塌。通过结合流速轮廓分析和主应变场评估，本研究确定了泡沫内部的断裂起始和传播机制，并量化了相应的空间动力学。

各种多孔材料，包括聚合物泡沫、金属泡沫、蜂窝芯、晶格结构和负泊松比材料，由于其卓越的吸能能力而被广泛用于爆炸和冲击减缓研究。聚合物泡沫通常表现出大的可恢复变形和低密度，但在严重载荷下往往刚度有限且耐热性较差。金属泡沫提供更高的强度和延展性；然而，其相对较高的密度和塑性坍塌机制可能限制其在需要轻质热保护的应用中的性能。蜂窝和晶格结构具有高比刚度，可通过拓扑设计进行优化，但其方向性响应和制造复杂性可能限制其适用性。相比之下，开孔陶瓷泡沫具有独特的互连多孔结构，在爆炸波传播期间促进多次波反射、散射和渐进压力衰减。此外，陶瓷材料固有的高刚度、热稳定性、耐腐蚀性和压缩强度使其在涉及爆炸、冲击和高温环境的组合应用中尤其具有吸引力。尽管具有这些优势，但控制开孔陶瓷泡沫中爆炸波渗透和断裂演化的机制仍然了解不足，这促使了本实验研究（见表1）。

本工作的创新之处在于结合了同步压力测量、高速成像、数字图像相关（DIC）、背景定向纹影（BOS）和爆炸后扫描电镜（SEM）观察，对开孔陶瓷泡沫中的爆炸波渗透和断裂演化进行了全面的实验研究。该方法能够对压力衰减、全场表面变形、应变集中和断裂进展进行定量表征，为控制多孔材料中爆炸波减缓的耦合流体-结构相互作用机制提供了新的见解。本研究仅限于在受控激波管加载下单一种开孔陶瓷泡沫配置的爆炸波渗透和爆炸诱发断裂的实验表征。未研究泡沫密度、孔径大小、试样厚度和不同陶瓷材料的影响。此外，研究侧重于实验室条件下的法向爆炸入射，这与复杂的现场爆炸环境可能有所不同。尽管高速数字图像相关提供了位移、速度和主应变的详细全场测量，但数值模拟和微观结构建模超出了本研究的范围。未来的研究应探索实验-数值耦合研究、不同的泡沫架构和更广泛的爆炸强度范围，以建立抗爆多孔材料的通用设计准则。

## 微观结构

采用一种市售的开孔碳化硅（SiC）泡沫来研究爆炸波渗透和爆炸诱发断裂行为。该泡沫以互连多孔结构为特征，在激波相互作用、能量耗散和断裂传播中发挥着重要作用。

## 方法

本研究中使用的开孔陶瓷泡沫具有高度互连的多孔结构，这使其从根本上区别于传统的闭孔泡沫。为说明爆炸相互作用机制，图2对比了闭孔和开孔泡沫结构在爆炸载荷下的响应。

图2示意性地展示了爆炸载荷下闭孔与开孔泡沫结构的根本差异。在闭孔泡沫中，孔洞……

## 结果与讨论

为了理解开孔泡沫在缓慢加载条件下的基本力学行为，按照ASTM C1424标准[37]，使用万能试验机（UTM）以0.001 s?1的恒定应变率进行了准静态压缩试验。泡沫的载荷-位移和应力-应变行为为其吸能能力和变形机制提供了关键见解，后者与动态爆炸载荷下的性能进行了关联。

## 结论

本研究通过实验研究了开孔陶瓷泡沫在受控爆炸载荷下的动态响应，特别关注爆炸波渗透（BWIs）和爆炸诱发断裂（BIFs）的机制。准静态压缩试验建立了泡沫的基准力学响应，而同步压力测量、高速成像、数字图像相关（DIC）和背景定向纹影（BOS）技术实现了全面的表征……

### CRediT作者贡献声明

Kaviarasu K.：撰写—初稿、软件、调查、形式分析、概念设计。

Alagappan P.：撰写—审阅与编辑、监督、资源、方法论。

### 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

**Kaviarasu K. | Alagappan P.**

印度理工学院马德拉斯分校土木工程系，金奈，600036，泰米尔纳德邦，印度