高速摄像机揭示波纹—互穿相复合架构柔性冲击传感器的动态变形与恢复行为

燕山大学等联合研究团队构建了一种融合波纹结构与三维互穿相复合架构的柔性冲击传感器,使用千眼狼(Revealer)高速摄像机记录落锤及高速弹丸冲击过程,结合力学与电学测试,揭示其结构稳定性、形状恢复和能量吸收特征。

1. 实验背景

柔性传感器广泛应用于可穿戴电子、电子皮肤及冲击监测等领域,但在跌落、碰撞等瞬态载荷下,易发生整体屈曲、不可恢复变形及传感信号异常。如何兼顾结构稳定性、能量吸收与传感性能,是冲击防护型柔性传感器的重要研究课题。

针对这一问题,研究团队设计了一种兼具结构稳定性、吸能与传感功能的三维互穿相复合架构(IPC²):外部借鉴吸管的波纹形态,引导材料沿轴向变形,抑制整体失稳;内部将碳纳米管修饰的醋酸纤维素骨架与碳纳米管/硅橡胶复合材料相结合,形成双连续的三维互穿相结构,实现协同承载、能量耗散与压阻传感。

为验证该结构在真实冲击工况下的表现,研究团队引入千眼狼(Revealer)高速摄像机,观察瞬态变形与冲击后的形状恢复,并结合力学、电学测试评价材料的综合性能。

2. 实验设备

实验采用千眼狼(Revealer)高速摄像机,配合落锤冲击装置和弹丸冲击系统,分别记录柔性传感器的瞬态变形、形状恢复及弹丸反弹行为。

其中,高速摄像机用于获取动态视觉证据;力学试验机用于压缩测试,电化学工作站用于电信号采集,ABAQUS/Explicit用于结构变形仿真。

高速摄像机核心任务,是将冲击过程中的结构形态转化为可观察、可比较的动态序列信息。

3. 实验方法

研究分别制备具有波纹结构和无波纹结构的IPC²柔性传感器,设置两类动态冲击实验:

落锤冲击: 将200 g落锤从2 m高度释放,实测撞击速度约6.2 m/s。利用高速摄像机记录试样的冲击变形和卸载恢复过程,通过弯曲角及残余弯曲角比较两种结构,并开展最多200次重复冲击测试。

高速弹丸冲击: 以30 m/s的速度发射弹丸,分别撞击配置波纹IPC²传感器、无波纹IPC²传感器及普通钢板的模型人偶。通过高速序列图像比较弹丸反弹及人偶运动行为,结合电流响应分析冲击缓冲与传感性能。

4. 实验数据解析

4.1 落锤冲击:高速摄像机揭示瞬态变形与形状恢复差异

研究采用200 g落锤从2 m高度释放,使用千眼狼(Revealer)高速摄像机记录撞击过程,测得实际撞击速度约6.2 m/s(图1)。通过高速图像提取冲击弯曲角θb及残余弯曲角θ′b,定量比较两种结构的动态稳定性和形状恢复能力。

图1-高速摄像机与落锤冲击实验系统,研究将200 g落锤从2 m高度释放,利用千眼狼高速摄像机记录撞击过程,并获得约6.2 m/s的实际撞击速度。

高速图像显示(图2),无波纹结构在冲击过程中发生明显整体弯曲,弯曲角约69.8°,卸载后恢复至约172.7°,仍存残余变形;波纹结构的冲击弯曲角约170.5°,卸载后接近180°,表现出较好的抗弯曲失稳和形状恢复能力。这表明波纹结构能够引导轴向变形,抑制瞬态冲击引起的整体侧向弯曲。

图2-高速摄像机记录波纹与无波纹IPC²柔性冲击传感器的落锤变形及恢复过程。无波纹结构冲击弯曲角约69.8°、残余弯曲角约172.7°;波纹结构冲击弯曲角约170.5°,恢复后接近180°

进一步开展最多200次重复冲击实验(图3),结果表明,波纹结构试样的抗冲击变形能力出现一定程度的下降,但形状恢复能力衰减较小。前者可能与内部三维纤维骨架的结构完整性受损有关,后者则受益于PDMS的弹性及波纹结构提供的整体稳定性。

图3-千眼狼高速摄像机关联的IPC²柔性冲击传感器重复落锤实验,比较波纹和无波纹结构在最多200次冲击下的弯曲角、残余弯曲角及试样形态,分析抗冲击变形能力与形状恢复性能。

高速摄像机的实验价值在于区分冲击过程中的瞬态变形与卸载后的残余变形,并通过重复冲击图像评价结构稳定性的演化。

4.2 高速弹丸冲击:高速摄像机验证冲击缓冲与反弹行为

为验证IPC²柔性冲击传感器在高速冲击工况下的功能表现,研究人员以30 m/s的速度发射弹丸,分别撞击配置波纹IPC²传感器、无波纹IPC²传感器及普通钢板的模型人偶。利用千眼狼(Revealer)高速摄像机记录弹丸撞击、反弹及人偶运动行为,并结合电信号采集装置评价冲击感知性能。

高速图像显示(图4),两种IPC²复合结构均能产生一定的冲击缓冲作用,模型人偶在撞击后保持站立;相比之下,普通钢板条件下的人偶发生倾倒。其中,波纹IPC²结构对应的弹丸反弹距离小于无波纹结构,研究将这一现象作为波纹结构具有更好冲击缓冲与吸能表现的实验依据之一。

电流响应结果进一步表明,无波纹结构传感器出现多个幅值较低的响应峰,而波纹结构传感器产生较为集中的显著电流峰,表现出不同的动态机电响应特征。这一差异与前述结构稳定性及冲击缓冲结果相互支持。

图4-千眼狼(Revealer)高速摄像机记录30 m/s弹丸撞击柔性冲击传感器的实验过程,比较波纹IPC²结构、无波纹IPC²结构及普通钢板条件下的弹丸反弹和模型人偶运动行为,并结合电流响应曲线分析结构缓冲与冲击感知性能。

该组实验中高速摄像机的核心价值是获取弹丸反弹和模型人偶运动的动态视觉证据,使冲击评价从材料试样扩展至弹丸—传感器—模型系统。

5. 实验结论

I. 结构稳定性方面:波纹结构能够引导IPC²复合架构沿轴向变形,降低瞬态冲击下的整体弯曲倾向。千眼狼(Revealer)高速摄像机记录的落锤实验表明,无波纹结构冲击弯曲角约69.8°,波纹结构约170.5°,且后者在卸载后接近完全恢复;最多200次重复冲击实验进一步验证了其较好的形状恢复能力。

II. 能量吸收与传感性能:结合力学与电学测试,研究报告IPC²复合架构的比吸能为2.66 ± 1.2 kJ/kg,密度为720 ± 10 kg/m³,低应变区应变灵敏系数GF约为39.6。在30 m/s弹丸冲击实验中,高速摄像机记录了不同结构条件下的反弹与模型运动行为,结合电流响应结果,验证了该复合架构在冲击缓冲与动态感知方面的功能潜力。

III. 实验测量角度:高速摄像机将柔性功能材料的冲击评价从静态力学结果扩展至瞬态变形过程,通过记录冲击、恢复及重复加载中的宏观形态,为结构稳定性与动态响应分析提供直接证据。结合力学和电学测试,高速成像有助于建立复合架构设计、冲击变形与传感响应之间的实验关联,为柔性冲击传感器及多功能吸能材料的研究提供重要测量手段。