[发明专利]测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法

说明书

本发明公开了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法。该装置包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置、以及高速摄像机。穿刺针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具或者特种安全装备评价测试领域。

技术领域

本发明涉及一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，属于材料性能测试技术领域。

背景技术

不管是从事高危行业的的人群，还是普通公众都有可能在日常生活中面临锐器或者钝器的伤害。比如刀具跌落在脚上，这需要鞋子的制作材料具有较好的防刺穿或切割性能。但是材料在动态载荷(使材料产生较大的应变速率)下的性能和变形行为与准静态下有很大区别。随着加载速率的增加，材料的强度和非弹性变形都可能会增加，这使得研究材料的动态穿刺性能具有重要意义。材料的断裂能是评价防护材料的重要指标，然而由于软物质材料具有自组织行为和非线性响应等复杂特性，现阶段缺乏表征软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法。

发明内容

本发明旨在提供一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具领域或者特种安全领域。

本发明中，从能量的角度出发，发明了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法和装置。针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，从而得出两次实验分别耗散的能量，针体或刀片两次释放在同一高度初始势能相等。由于第二次穿刺切割中没有断裂行为的发生只有摩擦损耗，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。

本发明提供了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置以及高速摄像机。

穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，然后将方形铁块和针整体固定在一定高度，固定高度要求能穿透试样，但不宜太高导致下落轨迹偏离竖直方向，针尖与试样顶部距离应在0.2～1m范围内。固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成；通过外部舵机可控制左右两个手爪在基座表面滑动，使方形铁块夹紧或释放。盛放试样的装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又挖有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过。高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。

进一步地，穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一定高度上，释放该整体使其垂直落下；针垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。

用于穿刺的针体或刀片相对于软材料有足够的刚度，针体和刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形，针体为实心的柱形不锈钢针，刀片为未开刃的SK2刚性刀片。刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。

所述高速摄像机为FASTCAMSA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。

待测软组织试件如但不限于水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管，肝脏中的一种。所述试件为一个软材料的薄圆形试件。

穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动。

本发明提供了一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的方法，当穿刺工具为柱形针时包括以下步骤：

(1)测量均质方形铁块的质量m₁；