仿生皮肤材料的力学性能测试与分析

Ⅲ 助 锨 财 料 2013年第l期(。14)卷—二二=—————————————一————————————————————————————————————————————————————2——————————————————————————————一—— 仿生皮肤材料的力学-f：生能测试与” 谢 驰Ⅲ，陈 爽1，蔡 鹏2，林大全2～，王远苹3 (1．汽车噪声振动和安全技术国家重点，重庆400039； 2．四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065；3．成都方拓仿真技术有限公司，四川成都610091) 摘 要： 仿生皮肤材料是一种由高分子材料复合而 成的，作为汽车碰撞安全性能实验假人皮肤肌肉的一 种特殊功能材料。实验假人皮肤的反弹力和损伤因子 影响汽车碰撞安全性能实验，影响汽车碰撞测试对人 体的损伤程度判定的科学性和准确性。而仿生皮肤材 料的力学性能主要受制备过程中混合基、填料的用量 和硫化时间的不同等因素影响。针对汽车碰撞实验假 人仿生皮肤材料的特殊性，为了制备综合性能优越的 仿生皮肤，对仿生皮肤材料的制备与力学性能进行研 究，研究不同混合基胶、固化剂、填料剂和后硫化时间 对仿生皮肤材料力学性能的影响，通过对3种制备不 同的仿生皮肤材料进行超声波测试和冲击测试分析， 探讨具有最优力学性能仿生皮肤材料的合成途径。 关键词：仿生皮肤；力学性能；汽车碰撞：性能测试； 材料分析 中图分类号：THl40．7 文献标识码：A 文章编号：1001-9731(2013)01-0132—04 1 引 言 仿生材料是目前材料学科的研究热点，它的应用 可以说是非常广泛，一方面，通过对自然生物表现的特 异功能的吸引，期望通过对自然生物结构模拟，得到所 需要的功能材料；另一方面，通过对生物组织支架等的 模拟，用于组织工程与再生医学的应用。本文所提出 的仿生皮肤材料是通过高分子材料复合而成的一种仿 生皮肤肌肉材料，用于汽车碰撞安全性能实验假人的 “皮肤”，是一种特殊的功能材料。 人体皮肤组织是非均匀材料，具有非线性、生物组 织结构的特殊性以及其物理机械性能的特异性，生物 皮肤组织的力学特性极其复杂，人体皮肤材料的强度 和弹性具有明显的方向性(即各向异性)，故作为人体 皮肤的仿生材料，应该具有同人体皮肤组织相近的力 学特性。由于在汽车碰撞测试时实验模拟人的损伤程 度取决于冲量、动量的分配与冲击过程的作用时间，作 为实验假人的皮肤材料的弹性、硬度和反弹等力学特 性将直接影响冲击能量的衰减、传递和沉积，仿生材料 的反弹力和损伤因子将影响碰撞冲击响应的加速度和 冲击载荷的作用时间，使得反映在假人体内的传感器 所获取信号失真，影响汽车碰撞测试对人体的损伤程 度判定的科学性和准确性。仿生皮肤的力学特性是评 价实验模拟人仿真性和等效性的基本指标，也是进行 汽车安全模拟计算的基本参数山弘。因此，仿生皮肤材 料等效性能的测试与评定是研制汽车碰撞实验假人仿 生皮肤材料的关键。由于仿生皮肤材料的应用特性要 求，提出超声波测试和冲击测试的静动态结合方法，建 市仿生皮肤等效材料力学模型，分析在不同制备条件 下材料的力学性能，为汽车碰撞实验假人仿生材料的 设计、合成、制备提供依据，探讨具有最优力学性能仿 生皮肤材料的合成途径。 2 实验样品 在对人体皮肤等软组织生物力学特性分析的基础 上，采用硅橡胶基复合的高分子材料作为基本制备仿 生皮肤材料等效材料。实验样品的化学试剂采用d， Ⅲ一羟基聚二甲基硅氧烷，1=粘度为5000mPa·s，2。粘 度为20000mPa·S；固化剂为正硅酸乙醋；催化剂为二 丁基桂酸锡；填料选用纳米二氧化硅，粒径为20～ 40nm。制备过程是在依次加入称量的a，m一羟基聚二 甲基硅氧1、2。混合基胶、填料、固化剂和催化剂，快速 搅拌，得到混合均匀的白色勃液后，倒模，在烘箱中固 化成弹性。由于硅橡胶弹性体的力学性能主要与聚有 机硅氧烷基胶的化学结构有关，受到混合基和填料的 用量，以及硫化时间的长短影响，为了制备综合性能优 越的硅橡胶基复合人体皮肤仿生材料等效材料，对制 备过程不同的3种仿生皮肤等效材料样品，如表l所 示，以等体积(实验样品形状为050ram×10ram)测试 方法分别进行测试分析。 表1 实验样品材料 Table1 Testsamplematerial 编号 填充剂量(份) 1、25混合基 硫化时间(h) 试件1 1 3．0：0．o 1 试件2 3 4．o：1．o 3 试件3 5 3．o：3．o 5 *基金项目：汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室20lo年开放基金资助项目(NVHSKL一20100,1) 收到初稿日期：201206—07 收到修改稿日期：201209t0 通讯作者：谢驰 作者简介：谢驰(1956一)，女，四川自贡人，教授．博士．从事测试技术研究。 万方数据 谢驰等：仿生皮肤材料的力学性能测试与分析 3 测试分析 3．1超声波测试 通过测试仿生皮肤等效材料对超声波声速、衰减、 散射和吸收率的变化，对仿生皮肤等效材料的弹性模 量、组织特性、粘弹性和松弛模量进行等效性分析与评 定。由二F超声波在仿生皮肤等效材料试样内的衰减很 大，在超声频段，等效仿生材料的动态力学特性表现出 粘弹性，所以其声速与温度、频率等有关，考虑等效仿 生材料在室温恒定条件下使用，在这里只探讨频率对 仿生材料动态力学特性的影响-扎1。 采用超声波脉冲波穿透法测量，使用直接脉冲反 射法。考虑到斜探头和材料试件间界面的反射／透射 误差的校正困难，测试时使用小直径双晶超声探头和 测试固定工具，并选用透射系数高的耦合剂，来保证探 头端面和试件之间的良好耦合，从而减小界面问的反 射／透射误差。 表2为采用／卜同频率段的脉冲波，穿透仿生皮肤 等效材料试件，测量纵波声速。从表2可以看出，随着 超声波频率的增加．仿生皮肤等效材料中纵波的声速 也随着增大，声速的变化与频率变化之间呈现线性的 关系。表明增强体含量高的仿真材料(试件3)声速要 高于增强体含量低的(试件2和1)材料，由于增加的 增强体粒子链与基体分子链之间的缠结和吸附产生了 较大的分子内部的力的作用，从而通过声波速度变化 表征材料的硬度性能。 表2不同频率的纵波声速 Table2Thelongitudinalwavevelocitywithdifferent frequency 纵波声速(F11／；S) 平均速度 编号 偏差 1_2jMHz2．jMHZjMHz(rn／S) 试件1 971．3 978．9 984．6 978．3 —0．03 试件2 1001．2 1007．31016．51008．3O．03 试倬3 1017．8 1031．71043．3l030．9 0．13 通过超声波的波型转换关系：““，从纵波声速换算 得到试件的横波平均声速为：试件t，C。一16．13m／s， 试件2，C。=16．52m／s，试件3．(：。=18一lm／s。再根 据横波声速与材料弹性模量的关系计算得到试件在不 同频率段测试下的弹性模量值，见表3所示。 表3不同频率下试件的弹性模量 Table3Theelasticmodulusofthematerialsatdifferentfrequency 弹性模量(MPa) 按平均速度计算 声阻抗 编号 1．2jMHz2．5MHz5MHz (MPa) (107kg／(Fn!·s)) 试件l O．87 O．88 0．89 0．88 O．107 试件2 O．95 0．96 O．98 0．96 O．119 试件3 1．21 1．24 1．27 1．24 O．126 随着频率的升高，仿生皮肤等效材料的动弹性模 量也相应增加，但增幅不大。与静态模量值相比，动态 模量的值要大，这是由于静态测试条件下，材料的变形 充分；而超声波测量是将一个高频周期性振动施加在 材料上，由于仿生皮肤等效材料的粘弹性和应变滞后 产生的力学弛豫．造成了能量的损耗，导致材料在声波 作用F的变形量小于相同静力作用下的变形量。 由衰减系数公式。n计算得到仿生皮肤等效材料 不同频率段的衰减系数，见表4所示。 表4 不同频率下试件的衰减系数 Table47Fheattenuationcoefficientofthematerialsat differentfrequency 衰减系数(dB／mm) 编号 1．2jMHz2．jMHZ jMHz 试件1 O．17 O．26 0．51 试件2 O．38 0．65 1．04 试件3 O．55 O．91 1．35 由表4数据可以看出，等效材料的衰减系数随频 率的升高而增大。吸收衰减系数与超声波的频率成正 比．散射衰减系数也与超声波的频率有关。3种试件的 增强体百分含量有比较大的差别(试件3>试件2>试 件1)．在测试中发现增强体含量高的仿生皮肤等效材 料衰减系数较大。但并没有发生因频率的升高导致增 强体粒子含量较高的材料声波衰减加剧的现象，说明 了仿生皮肤等效材料中超声衰减方式主要足吸收衰 减．表征了仿生皮肤等效材料在冲击时对冲击波的吸 收。 3．2冲击测试 汽车碰撞实验时假人受到的冲击过程是瞬态的， 持续时间短暂，是骤然的、剧烈的能量释放、能量传递 与转换过程。汽车碰撞实验时模拟人皮肤简化成弹性 元件，在冲击速度一定时，冲击脉宽与弹性材料的刚度 系数有关I8-10j，因此通过测试冲击波形，采集冲击信息， 进行冲击波谱与冲击波传导阻抗分析，从而对汽车碰 撞实验假人仿生皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击 强度的等效性进行综合评定。采用垂直冲击的方法。 冲锤质量1509，冲锤工作面与样品相距高度为 200mm，释放冲击锤，以可：6Ill／S的速度撞击冲击台 (试件)。记录冲击波峰值与传导波波谱进行分析。 图1(a)～(c)为3种试件的冲击波与传导波波谱 图，(图的上半部分图是冲击波谱，下半部分图是传导 波谱)。 从图1看出，图l(a)为试件1的传导波出现震荡； 图1(b)为试件2的冲击波与传导波波谱图较为理想； 万方数据 134 助 锨李才 斟 2013年第1期(44)卷 图1(c)为试件3反映冲击波在试件材料的弹性刚度过强，传导波的阻抗大。 q 们 E ≥ 等 坚 呷 粤 E g 婆 红 -山 r可 rT r Fig1Theshockwaveandtheconductionwavespectra 图2为试件在受到冲击时的应力。由图2可以看 到试件1、2和3共3种材料的脉冲波形的脉宽 为0．5ms，但是试件2受冲击时应力较大，响应快，传 递波信号强，试件1和3受冲击时应力基本相同，传递 冲击波信号弱。 图2 冲击时应力图 Fig2Impactforceforthematerials 3．3结果分析 通过超声波测试和冲击测试获取的数据分析知： 由于硅橡胶是非结晶性聚合物，分子链问的相互作用 力弱，没有填料剂的硅橡胶强度很差，而填料用量对材 料的弹性力学性能影响最大，在硅橡胶基胶中，纳米二 氧化硅粒子与周围的固化剂在催化剂的作用下发生脱 醇反应，形成的小分子结构分散于材料中，成为材料中 的增强点，填料用量为5份时仿生皮肤材料有非常明 显的增强作用，但加工成型性能差；硫化时间的长短对 材料性能的影响不是太大，但太长或太短都使材料的 成型有影响，试件2的硫化时间为3h比较合适，制得 的仿生皮肤材料力学性能较好；试件1和3随着混合 基用量的增多，材料的强度增大的同时传导波的阻抗 也增大，仿生皮肤材料的冲击性能下降，因此，混合基 的用量对仿生皮肤材料性能有明显的影响。 4 结 论 时间fs fc}试件3 对汽车碰撞实验假人仿生皮肤材料的要求既能抵 抗碰撞冲击的损伤，又要能把冲击波信息传递到埋设 在实验模拟人内部的传感器。仿生皮肤材料对超声波 声速、衰减、散射和吸收率的变化反映了材料的弹性模 量、粘弹性和松弛特性；冲击实验采集冲击波谱与冲击 的波传导信息，揭示对汽车碰撞实验假人仿生皮肤材 料结构的力学特性以及抗冲击强度。汽车碰撞实验假 人仿生皮肤材料的超声波与冲击测试数据为建立仿生 皮肤等效材料力学模型，为仿生皮肤等效材料的设计 合成，制备提供力学参数依据，对研究假人皮肤仿生材 料制备工艺，评定仿生材料的力学等效性具有重要的 价值。 参考文献： [1]ChenKe，GaoJie，HeHaoran．VPG-basedsimulationand analysisonvehiclesidecrash[J]．ChineseJournalofCon— structionMachinery，2010，8(4)：449—454． [2]YuXiang，YuanZhongfan，LinDaquan，eta1．Research ontechnicsexperimentdummyforobverseimpactonau— tomobile[J]．JournalofSichuanUniversity，2003，34(3)： 118-121． [3]ChangJunjie．Evaluationofpolymecompositeviscoelas— ticitybyultrasonicpropagationcharacter[J]．Non—de— structiveTesting，2007，29(9)：546—548 [43GennissonJL，BaldeweckT，TanterM．Assessmentof elasticparametersofhumanskinusingdynamicelastic graph[J]．IEEETransactionsonUltrasonics，Ferroelec— tricsandFrequencyControl，2004，51(8)：980—983． Is]HePing．Acousticdispersionandattenuationmeasure— mentusingtransmittedandreflectedpulses[J]．IEEE X×××××××× ×× 11111864 2 24 母乱、∞∞o占∞ 万方数据 [7] incompositematerialanditscharacteristicevaluation[J]． 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2．SchoolofManufacturingEngineering，SichnanUniversity，Chengdu610065，China： 3．ChengduPhantomEmulationTechnologyC(】．I。td．，Chengdu610091。China) Abstract：Bionicskinmaterialisaspecialkindoffunctionalmaterialsmadeofapolymercompositedmaterials． whichcanusedintheautomobilecollisiontestforsafetyperformanceofdummyskinandmuscle．Theresillent andinjmYfactorofdummyskinwillhavesomeaffectiontotheautomobilecollisiontestforsafetvDerformance， andithasalsotheimpactforthecarcrashtesttodeterminethescientificandtheaccuracyofdamagingonthe humanbody．Butthemechanicalpropertiesofbionicskinmaterialsaremainlydeterminedbythemixedbase． theamountoffilledmaterialandthecuringtimeinthepreparationprocess．Forthespecialperformanceof bionicskinmaterialsusedinautomotivecrashtes，themechanicalpropertiesandthepreparationofthebionic skinmat-erialsarestudied，andtheimpactofthedifferentmixedbaserubber，curingagent，filleragentsand postcuringtimeonthemechanicalpropertiesofbionicskinmaterialsarealsostudied．Finally，thesynthetic pathwayofbionicskinmaterialswithoptimalmechanicalpropertiesisapproched，withthehelpofultrasonic testingandimpacttestingforthreedifferentbionicskinmaterials． Keywords：bionicskin；mechanicalproperty；automobilecollision；functionaltesting；materialanalysis <上接第131页) PreparationofultrafineCo。-Cr’_Fe‘_Nicobaltblackpigments bymicroemulsionmethod LINDong—eli，LIUJian—xiong，ZHANGYiwei (SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China) Abstract：ThepreparationprocessofuhrafinecobaltblackpigmentsviaW／OmicroemulsionsystemofAEO7 (alcoholethoxylate)／cycIohexane／1一butanolwasstudied．ThepseudoternaryphasediagramofAEO7,／cyclohex ane／n—burylalcohol／waterwasdrawnatdifferenttemperatures．Thecobaltblackparticleswereconfirmedby zetaszierFlano—ZSofMalvern：thestructureOfcobaltblackpigmentwasanalyzedthroughXRDandFT—IR．In addition。thecolorperformanceofthecobaltblackpigmentwascharacterizedbyUV—Visandspectrometers． Theresultshowedthatthestructureswereseriesofspinels；particlesizedecreasedastheprecursorionconcen— trationdecreased；thecobaltblackpresentedpurerblackandslantredreducedasthecalcinationtemperature rose． Keywords：microemulsion；cobaltblack；pigment；spinel；alcoholethoxylate 淼川丽_l蠹怒一鬻一黧警雪：～堕豢 万方数据 仿生皮肤材料的力学性能测试与分析 作者： 谢驰， 陈爽， 蔡鹏， 林大全， 王远苹， XIE Chi， CHEN Shuang， CAI Peng， LIN Da-quan， WANG Yuan-ping 作者单位： 谢驰,XIE Chi(汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室,重庆 400039;四川大学制造科学与工程学院 ,四川成都 610065)， 陈爽,CHEN Shuang(汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室,重庆,400039)， 蔡鹏,CAI Peng(四川大学制造科学与工程学院,四川成都,610065)， 林大全,LIN Da-quan(四川大学制 造科学与工程学院,四川成都 610065;成都方拓仿真技术有限公司,四川成都 610091)， 王远苹,WANG Yuan-ping(成都方拓仿真技术有限公司,四川成都,610091) 刊名： 功能材料 英文刊名： Journal of Functional Materials 年，卷(期)： 2013,44(1) 参考文献(11条) 1.Chen Ke;Gao Jie;He Haoran VPG-based simulation and analysis on vehicle side crash[期刊论文]-Chinese Journal of Construction Machinery 2010(04) 2.Yu Xiang;Yuan Zhongfan;Lin Daquan Research on technics experiment dummy for obverse impact on automobile 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