超高吸能性能材料的開發是安全防護領域中的重點，其在工業活動中也扮演著重要角色。
隨著智能制造業的發展，企業對機器生產的精細度要求越來越高，尤其醫療機械、機器人、電子芯片和精密儀器的生產，需要配置抗沖擊性更高的吸能材料或吸能裝置，以提高生產精細度、延長生產機器的使用壽命。
對于交通領域，抗沖擊性高的吸能材料也至關重要，在地鐵、火車和高鐵的軌道鐵道床鋪設吸能材料，減少列車行駛振動的同時降低噪音，為人們開啟平穩超靜音的鐵路之旅，在航空返回艙中內置吸能材料，也可達到減震隔振效果，保護人體不受沖擊力的傷害。
【資料圖】
在頻繁的沖擊荷載下，泡沫金屬和泡沫混凝土此類單孔結構材料由于無法重復使用，不適合用于沖擊防護，而以聚氨酯、聚丙烯等高分子材料為基體的多孔材料逐漸被應用于防護領域。
ACF仿生軟骨超材料是一種三維超微結構的仿生吸能材料，也是一種新型的軟基體混合胞孔材料，為了探索ACF材料的力學性能，研究該類材料在多次沖擊下的沖擊響應和材料的可恢復性，從而推動該材料在防護領域的應用，暨南大學力學與建筑工程學院重大工程災害與控制教育部重點實驗室的研發團隊與佛山軟谷科技有限公司的研發團隊對ACF材料采用微觀表征技術和實驗的方法，對ACF材料的表面微觀結構、力學性能和吸能穩定特性進行表征，并討論ACF材料在多次沖擊之后的吸能性和穩定性。研究成果于力學領域的專業性學術期刊《爆炸與沖擊》發表，論文標題為。
ACF仿生軟骨超材料的表觀結構形態
ACF仿生軟骨超材料由佛山軟谷科技有限公司軟谷實驗室開發，具有極限緩沖吸能的特性，可達到強力沖擊防護、隔振減震的效果。
本文為更好研究材料的力學性能和吸能特性，利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀測人工軟骨仿生超材料的表面微觀結構形態，圖2(a)顯示ACF材料表面分布著圓形的胞孔，并且內部部分孔洞之間相互連通，與一般的閉孔或開孔材料有區別，其孔洞內部又有凸起（凸起形態可見圖2(b)），這些凸起的高度存在納米尺度。因此，該材料是一種具有微納米結構的軟基體混合胞孔材料。
ACF仿生軟骨超材料的拉伸和壓縮力學性能
本文采取的ACF仿生軟骨超材料是軟谷實驗室SH-38等級的材料，實驗設備采用 MTS-810 伺服材料試驗機和 Zwick HTM16020 高速拉伸/壓縮試驗機。
本文對 ACF 材料分別進行應變率為 10?3、40、120 和 160 s?1 的拉伸實驗和應變率為 10?3、50、100 和 150 s?1 的壓縮實驗，實驗加載方式為位移加載，材料斷裂（拉伸）或達到既定位移（壓縮）時停止實驗。記錄實驗過程中力和位移的時程曲線，數據處理后獲得名義應力-應變曲線。
通過對比不同加載速度下 ACF 材料的拉伸應力-應變曲線，發現 ACF 材料在不同加載速度下的拉力學性能有明顯的區別，且表現出很強的應變率效應，從應力-應變曲線的走勢上來看，ACF 材料在準靜態條件下的拉伸應力-應變關系接近線彈性，但是隨著應變率的提高，應力-應變曲線呈現明顯的非線性。尤其拉伸應變大于 時，曲線走勢比較明顯，應變率越大，屈服強度越大。
ACF 材料壓縮性能與拉伸性能相同，具有明顯的應變率效應，隨著應變率的提高，應力水平和彈性模量逐漸上升，壓縮性能增強。
實驗曲線圖5（b）中，曲線與坐標橫軸圍成的面積表示材料單位體積吸收的能量，在不同應變率下平臺階段和密實階段的應變差距不大，應力差距較大，所以材料的平臺階段決定了材料的吸能，隨著應變率的提高，平臺應力升高，曲線所圍成的面積越大，吸能性能越好。
以上的實驗表明，ACF仿生軟骨超材料是一種高速應變率敏感材料（也叫速敏變性材料、高應變材料），隨著應變率的升高，材料的彈性模量和應力均有大幅度的提高，材料的抗拉強度和抗壓強度與應變率呈正相關。
ACF仿生軟骨超材料的抗沖擊性和抗形變壓縮性
工業活動中常用到EPP材料以對抗沖擊性，因此本文將EPP與ACF超材料對比作沖擊實驗。在第一次的力學響應實驗中，記載了50J沖擊力的條件下 ACF 和EPP 的荷載-位移曲線和速度-位移曲線數據，得知ACF材料的最大荷載峰值力遠高于EPP的最大荷載峰值力，且ACF 材料沖擊過程中的最大位移、回彈、反彈速度小于/低于EPP。接著通過這兩張曲線圖分析推斷吸能隨沖擊位移的變化曲線圖，得知ACF超材料在沖擊過程中吸能率達到了 %，僅有 的能量重新轉化為了沖頭的動能，而EPP 材料吸能率為%，有 能量再次被轉化為動能。
因此，實驗證明，ACF超材料的吸能效果遠超EPP。ACF超材料除了峰值力高于EPP材料之外,材料變形量和能量吸收均優于 EPP 材料。ACF 材料利用更小的變形吸收了更多的能量。
吸能性實驗結束后，本文進一步對比2種材料的吸能性能的穩定性和材料的可恢復性。通過觀察2種材料在5次沖擊力的位移增幅和反彈速度，得到的結論是：ACF超材料在多次沖擊時吸能性能仍保持穩定，沖擊位移和反彈位移幾乎不變，而EPP材料在承受第2次沖擊時吸能顯著下降，在第 3次到第5次能量吸收下降不明顯，這也說明，第2次沖擊后 EPP 已經密實損壞不具有抵抗多次沖擊的能力。
ACF超材料的可恢復性能也很強。經過2種對比材料所采取的單次和多次反復錘擊實驗，發現ACF大部分的沖擊能量轉化為內能，并且在多次沖擊后其吸能能力基本保持不變，證明可恢復性良好。反之，EPP材料自第1次沖擊后吸能性能顯著下降，抗沖擊性較差，可恢復性較差。
第一次沖擊下ACF吸能率高達%，第5次沖擊下吸能率達%，兩者數值接近。
通過一系列實驗，證明ACF超材料是一種高速應變率敏感的材料，也是一種吸能性能優異且可抵抗多次沖擊的軟基體混合胞孔材料，且各方面性能優于傳統的吸能材料EPP。
此研究成果為軟基體混合胞孔材料在多次沖擊防護中的應用提供了實驗依據，進一步促進了工業精密儀器、軌道交通、航空航天等前沿科技領域中的研究與發展。目前，ACF仿生軟骨超材料已相應投放民用和工業生產中，在人體運動防護和醫療康復輔助、電子產品防護、工業和家電隔振降噪、交通工具減震隔振等領域頗有成果，市場潛力巨大。
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