超高吸能性能材料的开发是安全防护领域中的重点，其在工业活动中也扮演着重要角色。
(资料图)
随着智能制造业的发展，企业对机器生产的精细度要求越来越高，尤其医疗机械、机器人、电子芯片和精密仪器的生产，需要配置抗冲击性更高的吸能材料或吸能装置，以提高生产精细度、延长生产机器的使用寿命。
对于交通领域，抗冲击性高的吸能材料也至关重要，在地铁、火车和高铁的轨道铁道床铺设吸能材料，减少列车行驶振动的同时降低噪音，为人们开启平稳超静音的铁路之旅，在航空返回舱中内置吸能材料，也可达到减震隔振效果，保护人体不受冲击力的伤害。
在频繁的冲击荷载下，泡沫金属和泡沫混凝土此类单孔结构材料由于无法重复使用，不适合用于冲击防护，而以聚氨酯、聚丙烯等高分子材料为基体的多孔材料逐渐被应用于防护领域。
ACF仿生软骨超材料是一种三维超微结构的仿生吸能材料，也是一种新型的软基体混合胞孔材料，为了探索ACF材料的力学性能，研究该类材料在多次冲击下的冲击响应和材料的可恢复性，从而推动该材料在防护领域的应用，暨南大学力学与建筑工程学院重大工程灾害与控制教育部重点实验室的研发团队与佛山软谷科技有限公司的研发团队对ACF材料采用微观表征技术和实验的方法，对ACF材料的表面微观结构、力学性能和吸能稳定特性进行表征，并讨论ACF材料在多次冲击之后的吸能性和稳定性。研究成果于力学领域的专业性学术期刊《爆炸与冲击》发表，论文标题为。
ACF仿生软骨超材料的表观结构形态
ACF仿生软骨超材料由佛山软谷科技有限公司软谷实验室开发，具有极限缓冲吸能的特性，可达到强力冲击防护、隔振减震的效果。
本文为更好研究材料的力学性能和吸能特性，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜观测人工软骨仿生超材料的表面微观结构形态，图2(a)显示ACF材料表面分布着圆形的胞孔，并且内部部分孔洞之间相互连通，与一般的闭孔或开孔材料有区别，其孔洞内部又有凸起（凸起形态可见图2(b)），这些凸起的高度存在纳米尺度。因此，该材料是一种具有微纳米结构的软基体混合胞孔材料。
ACF仿生软骨超材料的拉伸和压缩力学性能
本文采取的ACF仿生软骨超材料是软谷实验室SH-38等级的材料，实验设备采用 MTS-810 伺服材料试验机和 Zwick HTM16020 高速拉伸/压缩试验机。
本文对 ACF 材料分别进行应变率为 10−3、40、120 和 160 s−1 的拉伸实验和应变率为 10−3、50、100 和 150 s−1 的压缩实验，实验加载方式为位移加载，材料断裂（拉伸）或达到既定位移（压缩）时停止实验。记录实验过程中力和位移的时程曲线，数据处理后获得名义应力-应变曲线。
通过对比不同加载速度下 ACF 材料的拉伸应力-应变曲线，发现 ACF 材料在不同加载速度下的拉力学性能有明显的区别，且表现出很强的应变率效应，从应力-应变曲线的走势上来看，ACF 材料在准静态条件下的拉伸应力-应变关系接近线弹性，但是随着应变率的提高，应力-应变曲线呈现明显的非线性。尤其拉伸应变大于 时，曲线走势比较明显，应变率越大，屈服强度越大。
ACF 材料压缩性能与拉伸性能相同，具有明显的应变率效应，随着应变率的提高，应力水平和弹性模量逐渐上升，压缩性能增强。
实验曲线图5（b）中，曲线与坐标横轴围成的面积表示材料单位体积吸收的能量，在不同应变率下平台阶段和密实阶段的应变差距不大，应力差距较大，所以材料的平台阶段决定了材料的吸能，随着应变率的提高，平台应力升高，曲线所围成的面积越大，吸能性能越好。
以上的实验表明，ACF仿生软骨超材料是一种高速应变率敏感材料（也叫速敏变性材料、高应变材料），随着应变率的升高，材料的弹性模量和应力均有大幅度的提高，材料的抗拉强度和抗压强度与应变率呈正相关。
ACF仿生软骨超材料的抗冲击性和抗形变压缩性
工业活动中常用到EPP材料以对抗冲击性，因此本文将EPP与ACF超材料对比作冲击实验。在第一次的力学响应实验中，记载了50J冲击力的条件下 ACF 和EPP 的荷载-位移曲线和速度-位移曲线数据，得知ACF材料的最大荷载峰值力远高于EPP的最大荷载峰值力，且ACF 材料冲击过程中的最大位移、回弹、反弹速度小于/低于EPP。接着通过这两张曲线图分析推断吸能随冲击位移的变化曲线图，得知ACF超材料在冲击过程中吸能率达到了 %，仅有 的能量重新转化为了冲头的动能，而EPP 材料吸能率为%，有 能量再次被转化为动能。
因此，实验证明，ACF超材料的吸能效果远超EPP。ACF超材料除了峰值力高于EPP材料之外,材料变形量和能量吸收均优于 EPP 材料。ACF 材料利用更小的变形吸收了更多的能量。
吸能性实验结束后，本文进一步对比2种材料的吸能性能的稳定性和材料的可恢复性。通过观察2种材料在5次冲击力的位移增幅和反弹速度，得到的结论是：ACF超材料在多次冲击时吸能性能仍保持稳定，冲击位移和反弹位移几乎不变，而EPP材料在承受第2次冲击时吸能显著下降，在第 3次到第5次能量吸收下降不明显，这也说明，第2次冲击后 EPP 已经密实损坏不具有抵抗多次冲击的能力。
ACF超材料的可恢复性能也很强。经过2种对比材料所采取的单次和多次反复锤击实验，发现ACF大部分的冲击能量转化为内能，并且在多次冲击后其吸能能力基本保持不变，证明可恢复性良好。反之，EPP材料自第1次冲击后吸能性能显著下降，抗冲击性较差，可恢复性较差。
第一次冲击下ACF吸能率高达%，第5次冲击下吸能率达%，两者数值接近。
通过一系列实验，证明ACF超材料是一种高速应变率敏感的材料，也是一种吸能性能优异且可抵抗多次冲击的软基体混合胞孔材料，且各方面性能优于传统的吸能材料EPP。
此研究成果为软基体混合胞孔材料在多次冲击防护中的应用提供了实验依据，进一步促进了工业精密仪器、轨道交通、航空航天等前沿科技领域中的研究与发展。目前，ACF仿生软骨超材料已相应投放民用和工业生产中，在人体运动防护和医疗康复辅助、电子产品防护、工业和家电隔振降噪、交通工具减震隔振等领域颇有成果，市场潜力巨大。
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