Materiály s odezvou citlivou na rychlost deformace pro pohlcování nárazové energie

Abstract

Disertační práce se zabývá měřením mechanické odezvy poréznich kovových materiálů (pěn a periodických struktur) za vysokých rychlostí deformace a možnostmi zbývšení schopnosti pohlcení nárazové energie pomocí polymerní výplně. Byly testovány tři typy porézních kovových materiálů (kovová pěna s uzavřenými a otevřenými póry a auxetické struktury vyrobené technologií SLS). Pro získání odezvy citlivé na rychlost deformace byly testovány tři zástupci polymerních materiálů: neporézní a porézní polyuretan a balistická želatina. Na mikroŕovni byly provedeny ohybové testy stěn buněk kovové pěny pomocí vlastního zatěžovacího zařízení. Deformace byly měřeny opticky metodou digitální korelace obrazu. Na makroúrovni byla pro sledování deformací uvnitř buněčné struktury využita časosběrná rentgenová tomografie jednoosého tlakového testu. Pro stanovení odezvy testovaných materiálů na nárazové zatížení bylo využito padostroje a dělené Hopkinsonovy tyče (SHPB) pro pokrytí širokého rozsahu rychlostí. Za nižších rychlostí deformace při testech v padostroji bylo zjištěno zvýšení hustoty deformační energie při testech vyplněné kovové pěny a balistické želatiny, zatímco nevyplněná kovová pěna změnu nevykazovala. Testy v SHPB potvrdily zvášení hustoty deformační energie pro všechny testované výplně i pro vyplněnou kovovou pěnu a auxetické struktury. Pomocí optického měření deformací byla pozorovány redukce auxetického chování u vyplněných auxetických struktur.

The aim of the dissertation was the investigation of the machanical behaviour of cellular materials with an emphasis on lattices at higher strain rates and possible enhancement of their energy absorption capabilities. Two types of cellular materials and lattices were test, closed- and open-cell aluminium foam and SLS printed auxetics. To induce and strain-rate sensitive response in open-cell structures (foams and lattices), different types of polymeric fillers were tested (polyurethane putty, polyurethane foam and ordnance gelatin) to form Interpenetrating-phase composites (IPCs). A multi-level mechanical testing was carried out to assess the mechanical properties of both the base material and cellular structure. At the microscale level, the experiments were performed using an in-house testing apparatus in conjunction with the optical strain measurement using Digital Image Correlation. At the macro-level, for the investigation of the cellular structure a time-lapse X-ray tomography of the compression test was performed. For the testing of the mechanical response under impacts, two types of tests were used to cover a broader renge of strain-rates: (i) drop tests and (ii) Split Hopkinson pressure bar (SHPB). The experimental campaigns carried out at moderate strain-rates using a drof tower showed a strain - rate sensitive response at moderate strain-rates in the ordnance gelatin and IPC, while the response of unfilled aluminium foam remained unchanged with an increasing strain-rate. The high strain-rate impact using the SHPB showed a strain-rate sensitivity in the impact energy absorption characteristics (plateau stress, strain energy density) for all the tested materials (polyuretane foam, ordnance gelatin, polyurethane putty, IPC). The high strain-rate impact test confirmed the positive influence of both types of tested filling (polyurethane foam, ordnance gelatin) on energy absorption capabilites of the additively manufactured auxetics. The optical strain measurement of the SHPB impact tests of the polymer-filled auxetics showed a reduction in the auxetic nature with the presence of the filling.