闭孔率及密度对聚氨酯弹性体泡沫力学性能及吸能性的影响.docx

第39卷第12期

高分子材料科学与工程

Vol.39,No.12

2023年12月

POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING

Dec.2023

闭孔率及密度对聚氨酯弹性体泡沫力学性能及吸能性的影响

赵志颖，江皓，李晓东，苏醒，吴晓霞，张旭东，邹美帅

(北京理工大学材料学院，北京100081)

摘要：聚氨酯弹性体泡沫同时具备泡沫类及弹性体类材料性能，可作为高效的减振吸能材料应用于防撞击装备领域。文中制备了不同闭孔率及密度的聚氨酯弹性体泡沫，通过红外光谱分析、扫描电镜及应变率为1000～4000s的压缩性能测试等，探索了材料密度、泡孔结构、应变率对应力-应变曲线及吸能性的影响。发现聚氨酯弹性体泡沫的应力及单位体积吸能量随着密度、应变率及闭孔率的增加而增加。通过研究任意给定加载速率条件下闭孔率高的聚氨酯弹性体泡沫的能量吸收图，描述了不同密度材料在压缩冲击载荷下的特性，表明了在给定的加载条件下最优吸能聚氨酯弹性体泡沫密度为400kg/m。其研究对于深入理解不同微观结构及密度的聚氨酯弹性体泡沫的吸能机理及应变率依赖性行为有重要意义，对聚氨酯弹性体泡沫作为优越的抗冲击吸能材料的实际工程应用提供了理论支持。

关键词：聚氨酯弹性体泡沫；闭孔率；应变率；能量吸收

中图分类号：TQ328.3文献标识码：A文章编号：1000-7555（2023）12-0035-10

吸能材料在碰撞或爆炸过程中会发生塑性溃变而快速地吸收冲击能量，减缓撞击物的撞击速度，从而最大限度地降低被撞物的损伤。泡沫类是常见的吸能材料之一，主要分为金属泡沫材料及高聚物泡沫材料。泡沫类材料在受到严苛冲击加载后，通过细胞壁屈曲，溃缩损伤吸收能量[1,2]。金属泡沫具有良好的安全防护效果，然而其发生塑性变形，压实后不可被重复利用[3~6]。聚氨酯弹性体泡沫属于高聚物泡沫类，既具备泡沫类材料性能，又具备弹性体类材料性能[7~10]。弹性体材料可通过分子链解缠、断裂及裂纹扩展等形式将机械能转换为内能

耗散掉[11]，卸载后可大部分恢复原状态，因此其在抗多次冲击后仍具有较好的安全防护性能[12,13]。

泡沫类制品的力学性能和泡孔结构存在一定的关联性，在受力过程中，材料内部泡孔会发生变形。目前，关于硬质聚氨酯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫等在各种冲击载荷下的力学性能研究较多，而密度和应变率是控制泡沫材料力学性能和能

量吸收的关键参数[11,14,15]。Saha等[16]研究了聚氯乙烯

泡沫和硬质聚氨酯泡沫在准静态和动态加载条件下的峰值应力和能量吸收，发现峰值应力及能量吸收强烈依赖于应变率、密度、微观结构。Xiao等[17]对硬质聚氨酯泡沫进行了一系列准静态和动态加载试验，发现硬质聚氨酯泡沫的静态压缩行为取决于密度和应变率，而其动态压缩行为显著依赖于密度，可见密度是影响其能量吸收性能的重要因素。

目前，针对不同闭孔率的聚氨酯弹性体泡沫在不同应变率下的力学性能及吸能性影响因素研究较少，制约了其在缓冲吸能方面的应用。在实际工程应用中，有必要选择合适密度的聚氨酯弹性体泡沫，以获得最佳的缓冲性能和能量吸收能力。基于上述问题，本文制备了不同闭孔率及密度的聚氨酯弹性体泡沫，该材料在动态载荷下具有轻质和高韧性的性能，并进行了室温条件下的动态压缩实验，研究不同微观结构及密度的聚氨酯弹性体泡沫的吸能机理及应变率依赖性，对聚氨酯弹性体泡沫作为优越的抗冲击吸能材料的实际工程应用提供理论支持。

doi:10.16865/ki.1000-7555.2023.0197

收稿日期：2023-04-04

通讯联系人：江皓，主要从事功能高分子材料及生物纳米材料方向的研究，E-mail:jiangh@;

邹美帅，主要从事复杂环境高性能聚氨酯减振降噪材料方向的研究，E-mail:zoums@

36高分子材料科学与工程2023年

1实验部分

1.1原料与试剂

聚四氢呋喃醚二醇（PTMEG）：Mn=1000，2000，万华化学集团有限公司；聚氧化丙烯三醇（EP330）：M