拥抱非线性与几何：基于尺度分析的冲击吸收材料设计
材料科学
2025-02-21 v2 应用物理
摘要
保护性应用需要能量吸收材料，在吸收冲击动能方面要柔软可压缩，同时又足够刚性以承受压碎载荷。实现这一平衡需要仔细考虑材料的机械属性以及冲击吸收垫的几何结构。传统的冲击吸收垫通常由非常厚的泡沫制成，其应力-应变响应呈现恒定应力的平台区，而具有非线性刚度提升的泡沫常被视为无效。与此相反，我们展示了具有非线性应力-应变响应的泡沫对于实现薄型轻便的保护垫具有有效性，尤其是对于需要大横截面积的垫体几何结构。我们引入了一种用于厚度或体积受限设计的新框架，以确保所需的结构完整性和机械性能。我们的简化尺度分析为给定应力-应变响应下，保护性泡沫的无量纲厚度和横截面积提供了几何约束，以限制加速度和压缩应变在所需临界限制内。我们还识别出将导致最紧凑、最轻的保护泡沫垫吸收给定冲击动能的优化机械属性。基于这一设计框架，我们在层次化垂直排列碳纳米管（VACNT）泡沫中实现了最佳保护性能，为极端环境下的下一代保护应用提供了可能。
引用
@article{arxiv.2406.04803,
title = {Embracing Nonlinearity and Geometry: A dimensional analysis guided design of shock absorbing materials},
author = {Abhishek Gupta and Komal Chawla and Ramathasan Thevamaran},
journal= {arXiv preprint arXiv:2406.04803},
year = {2025}
}