科学家打造复合结构，可用于设计汽车碰撞吸能装置

多年来，围绕汽车发展的三大主题“安全、环保、节能”，湖南大学教授侯淑娟课题组致力于碰撞安全性的研究。

鉴于可持续发展变得日益重要。因此，他们在设计和制备能量吸收结构时，试图从日常生活中寻找一种低成本、易加工、可持续利用的原料。

过去几年间，该团队陆续发表了几篇关于椰子材料与结构力学行为的论文。在此基础之上，前不久他们又发表了固废循环利用的论文。

图 | 侯淑娟（来源：侯淑娟）

易拉罐作为日常生活中常用消耗品，随处可见。全球每年消耗的易拉罐数量巨大，据统计中国人均年消费约为 24 罐，废旧易拉罐资源非常丰富。

易拉罐有着典型的管状薄壁结构，对于它的循环再利用途径非常值得加以探索。

该课题组考虑的是：如果将其用于碰撞吸能结构，不仅可以延长易拉罐的使用周期，还能制备具有低碳足迹的能量吸收器，助力于实现“碳达峰”和“碳中和”，同时助力于实现安全、环保、节能。

然而，易拉罐不可避免地存在一些初始缺陷，通过轴向压溃实验他们发现，空的易拉罐在轴向压溃载荷之下，对于缺陷存在较高的敏感性。

实验结果显示，空罐出现了多种失效模式，包括一些低效吸能的变形模式。这在一定程度上限制了易拉罐空罐直接作为能量吸收器的可能性。

针对这一问题，他们通过原位制备，将易拉罐与 PU（polyurethane，聚氨基甲酸酯简称聚氨酯）泡沫进行复合，从而赋予易拉罐复合结构更加优异的吸能特性。

由于罐体与 PU 材料之间产生了耦合效应，这种复合结构变形模式会发生显著的变化，从而极大提高单位质量的吸能量。

此外，易拉罐罐体底部和顶部均存在颈缩过渡区域，这一“天然”属性能够确保以较小的初始峰值力，来触发结构后屈曲，从而有效避免被保护对象遭受较大的初始加速度，而这在生物力学研究中也是一个重要的损伤指标。

在动态冲击的载荷之下，上述复合结构仍能表现出稳定的失效模式。冲击之后的复合结构，其屈曲波瓣中并未出现断裂破坏的现象，这表明易拉罐本身就具有优异的冲击韧性。

这也表明其在动态能量吸收领域中具有广阔应用前景。与其他能量吸收材料相比，易拉罐与 PU 泡沫的复合结构，在能量吸收方面具备显著优势。

上述复合结构的优势还体现在易制备、低成本、可持续等方面。由于废旧易拉罐的数量庞大，因此这种复合结构很容易实现大规模生产和推广应用。

此外，还可以根据实际需求进行现场制备，并通过对多个复合结构单元进行组合、拼装、调控、配置等，实现个性化定制设计、以及高效吸能器的快速制备。

（来源：Composites Science and Technology）

具体来说，其应用前景包括但不限于以下几点：

其一，用于汽车碰撞吸能装置：目前在做汽车碰撞实验时，通常使用大尺寸的商业铝蜂窝材料进行缓冲吸能。而本次复合吸能结构可以直接替代铝蜂窝材料。

其二，用于高速公路两旁的公共设施冲击防护：为了有效避免车辆撞击道路两边的重要公共设施比如通讯杆、通讯设备、电线杆等，可以将该复合结构进行定制化组装，固定部署在被保护对象的外围。

其三，用于抗爆炸防护结构的牺牲层：将多个复合结构进行组装，即可用于设计防暴结构的牺牲层。

日前，相关论文以《从饮料罐和聚氨酯泡沫中获得超高能量吸收的可持续复合材料》（Sustainable composites with ultrahigh energy absorption from beverage cans and polyurethane foam）为题发在 Composites Science and Technology[1]，ChenJianbo 是第一作者，侯淑娟担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Composites Science and Technology）

如前所述，关于可持续的吸能材料或结构的研究，是该团队一直在努力的方向。一方面，他们实现了针对一些材料改性的工作，通过尝试不同的改性方法，以期提升材料的吸能特性；另一方面，课题组也做不少结构设计的工作。

汽车碰撞安全性优化设计，是该团队的研究方向之一。在过去他们通过建立高精度的回归表征模型，发展了碰撞安全性的多目标优化算法，借此实现了多种轻质吸能结构与材料的快速设计。其中，关于模型、算法和轻质吸能结构的设计，得到了一家汽车研发中心的引用。

参考资料：

1.Chen, J., Li, E., Liu, W., Mao, Y., & Hou, S. (2023). Sustainable composites with ultrahigh energy absorption from beverage cans and polyurethane foam.Composites Science and Technology, 239, 110047.