自響應仿生靶標力學和鈍擊響應特性研究

摘 要：

為了實現對彈擊防護裝置鈍擊場非接觸可視化傳感，建立了自響應仿生靶標。以力致發光材料硫化鋅銅（ZnS∶Cu）作為力敏感材料與硅橡膠復合制得自響應仿生皮膚，再與以熱塑性彈性體聚合物（以下簡稱科騰聚合物）制備的仿生脂肪（以下簡稱科騰基仿生脂肪）共同構成自響應仿生靶標，對自響應仿生皮膚、科騰基仿生脂肪進行準靜態力學試驗，并與生物皮膚、生物脂肪的力學性能進行對比，最后進行自響應仿生靶標沖擊特性研究。結果表明：在0.10 s-1應變率下，設計合成的自響應仿生皮膚（ZnS∶Cu-5、ZnS∶Cu-10）的彈性模量與人體前臂皮膚彈性模量在低應變范圍內分別相差5.33%、1.33%，科騰基仿生脂肪的彈性模量與生物脂肪（綿羊臀部脂肪）的彈性模量相近，偏差為5.53%，說明了“力致發光材料-硅橡膠-科騰聚合物”作為自響應仿生靶標的合理性；該靶標在沖擊載荷下表現出明顯的力光響應，力光強度與沖擊波峰值線性相關；沖擊氣壓為0.3 MPa時，自響應仿生靶標能夠較準確測得鈍擊場沖擊波初到峰壓，相對誤差為13.7%。自響應仿生靶標在實時可視化軟組織受沖擊波場中具有較大的潛力，可為彈道終點測試方法提供新思路。

關鍵詞：

彈性力學；自響應；靶標；相似性；力致發光

中圖分類號：

O343

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02011

Mechanical and blunt impact response characteristics of

self-responsive bionic target

WANG Tongtong1，2，XIONG Manman2，3，CHEN Xiaoyong1，GAO Qingdan1，2，MA Xuejiao2，FENG Fei4

（1.School of Chemistry and Chemical Engineering， North University of China， Taiyuan， Shanxi 030051， China; 2.National Key Laboratory of Transient Impact， Beijing 102202， China; 3.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210094， China; 4.Shanxi North Jindong Chemical Industry Company Limited， Yangquan， Shanxi 045000， China）

Abstract：

In order to achieve non-contact visual sensing of the blunt impact field for ballistic protection devices， a self-responsive bionic target was established. Mechanoluminescence material （ZnS∶Cu）， was used as the force-sensitive material and compounded with silicone rubber to prepare a responsive bionic skin. This skin was then combined with the bionic adipose prepared from Kraton polymer （hereinafter referred to as Kraton-based bionic adipose） to form the self-responsive bionic target. Quasi-static mechanical tests were carried out on the self-responsive bionic skin and Kraton-based bionic adipose， and their mechanical properties were compared with those of biological skin and biological adipose. Finally， the impact characteristics of the self-responsive bionic target were studied. The results indicate that the elastic modulus of the designed and synthesized bionic skin （ZnS∶Cu-5，ZnS∶Cu-10） at a strain rate of 0.10 s-1 differs from that of the skin of the human forearm by 5.33% and 1.33% respectively within the low strain region. The elastic modulus of the Kraton-based bionic adipose is close to that of the adipose tissue of the sheep′s hip region， with a deviation of 5.53%. This demonstrates the rationality of using the \"mechanoluminescence material-silicone rubber-Kraton-based polymer\" as the bionic target. The target exhibits a significant mechanoluminescence response under impact loading， with the luminescent intensity linearly correlated with the peak value of the shock wave. When the impact air pressure is 0.3 MPa， the relative error of the initial peak pressure of the obtained blunt impact field shock wave is 13.7%， indicating high accuracy. This shows that the self-responsive bionic target has great potential in real-time visual testing of shock wave fields experienced by soft tissues. The research provides a new idea for ballistic terminal testing methods.

Keywords：

elasticity mechanics; self-response; target; similarity; mechanoluminescence

仿人體靶標是武器致傷能力評估和毀傷彈道學、終點效應研究的重要工具，既不存在生物靶標的倫理、生物安全問題，也避免了純物理靶標的失真問題，在武器研制、防護裝備設計和致傷機理研究等領域被廣泛應用，如美國聯邦調查局（federal bureau of investigation，FBI）使用仿生靶標研究鈍擊傷，北大西洋公約組織（north atlantic treaty organization，NATO）使用仿生靶標考察非致命武器損傷效能。然而，仿人體靶標在反映毀（損）傷效應方面仍存在諸多不足，如需要與感測裝置配合使用，以及安裝不便、感測點離散、空間分辨率低等。因此，免安裝的終點效應獲取技術或新型自響應仿生靶標受到廣泛關注。免安裝終點效應獲取技術中的數字圖像相關法（digital image correlation，DIC）［1-2］需要額外制作散斑和多臺高速攝像機集成拍攝，并且閃射X射線照相［3］技術設備成本較高，“應變成像膜”［4］技術需要精細光刻制備像點，具有一定的局限性。因此，靶標測試一體化的自響應仿生靶標在彈道終點、毀傷效應研究領域具有較高的研究價值。

力致發光材料是將力信號轉換為光信號的新型功能材料，可以應用在應力傳感、機械沖擊、結構損傷檢測等方面［5-8］。張國棟等［9］報道了力致發光材料硫化鋅銅（ZnS∶Cu）在沖擊載荷感知和爆炸效應評估上的應用，發現力致發光材料能大量程、高靈敏地評測大尺度彈藥爆轟壓力分布（可達10 GPa）、爆轟波到時及沖擊波波前形狀等參數；FONTENOT等［10］則考察了力致發光材料的彈道沖擊響應（可響應彈速達到400 m/s）；而WANG等［11］報道了力致發光材料在測試動態應力領域的應用。這些前期工作證實了力致發光材料在瞬時、動態鈍擊場測試的可行性，也展示了其在仿生靶標彈道終點測試的潛力。然而，至今未見力致發光材料應用到生物軟組織靶標的相關報道，但是YAN等［12］利用力致發光材料實現了人工韌帶的自響應應力感知。

為此，本文提出研究力致發光材料基自響應靶標，評估其力學特性與沖擊場感測能力，并通過力學特性測試評估自響應靶標的生物模擬合理性。自響應靶標是自響應仿生研究在靶標與裝備研發方面的重要推廣和應用，此技術的實現有利于推動靶標與測試一體化，為新型自測試靶標開發提供新思路，也可為鈍擊損傷測試技術提供數據支撐。

1 實驗基礎

1.1 實驗材料與儀器

試驗中所用硅膠（硬度為20°）由東莞新邦新材有限公司提供；力致發光材料ZnS∶Cu購自上?？蒲坠怆娂夹g有限公司；液體石蠟（密度為0.84～0.86 g/cm3），購自上海麥克林生化科技股份有限公司；熱塑性彈性體聚合物（以下簡稱科騰聚合物）購自美國科騰聚合物有限公司。所有材料均為直接使用，未進行二次處理。

試驗所用到的主要儀器有：傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 5700），美國賽默飛世爾公司提供；萬能試驗機（AGS-X，10 kN），日本島津公司提供；電熱鼓風干燥箱（DZF-6123），上海一恒科學儀器有限公司提供；壓電式壓力傳感器（113B28），PCB公司提供；單反數碼相機（EOS-2000），日本佳能公司提供。

1.2 樣品制備

本文的自響應仿生靶標由仿生皮膚和仿生脂肪復合而成，靶標的自響應功能由仿生皮膚實現。

1）自響應仿生皮膚的制備

室溫下于塑料杯中將硅膠A、B組分等質量混合，加入指定質量的力致發光材料ZnS∶Cu（加入量分別為硅膠總質量的0%、5%和10%，以此將制備的自響應仿生皮膚樣品依次記為ZnS∶Cu-0、ZnS∶Cu-5、ZnS∶Cu-10），使用攪拌棒攪拌10 min使其均勻混合，然后將混合物放置于真空室中靜置10～15 min，以便清除混合物中產生的氣泡；將真空脫泡后的混合物緩慢倒入模具；為避免含ZnS∶Cu的混合物在常溫發生固化沉淀現象，將裝滿混合物的模具小心平穩地放入電熱鼓風干燥箱內，于60 ℃下固化（固化時間為15～20 min），即得自響應仿生皮膚試件，制備流程如圖1所示。

制備的自響應仿生皮膚形狀為圓形，直徑為50 mm，厚度為2 mm。同時，制備了自響應仿生皮膚的簡單拉伸試件，用于測定其力學性能，考察自響應仿生皮膚與人體的相似性。自響應仿生皮膚試件、形狀均按照GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則》［13］確定。

2）仿生脂肪的制備

使用科騰聚合物作為主體材料制備仿生脂肪。首先，按質量稱取液體石蠟、科騰聚合物，兩者質量分數比為85%∶15%；混合后在135～145 ℃條件下加熱至科騰聚合物融化且完全溶于液體石蠟，混合體系呈透明狀后，緩慢倒入仿生脂肪試件模具中（避免產生氣泡），在室溫下冷卻定型即得仿生脂肪（以下稱科騰基仿生脂肪）。按此方法制備直徑為50 mm、高度為50 mm的仿生脂肪，用于制備自響應仿生靶標，另外參考GB/T 7759.1—2015《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測定 第1部分：在常溫及高溫條件下》［14］制備直徑為29 mm、高度為12.5 mm的仿生脂肪，用于準靜態壓縮試驗。

3）自響應仿生靶標的制備

制備的自響應仿生皮膚和科騰基仿生脂肪試件冷卻定型后，立刻將自響應仿生皮膚貼附在科騰基仿生脂肪表面（自響應仿生皮膚與科騰基仿生脂肪間無粘接層），自然復合得到自響應仿生靶標，制作的靶標結構及形狀如圖2所示。

2 試驗方法

2.1 紅外表征

對制備的自響應仿生皮膚進行紅外表征，波數范圍為400～4 000 cm-1，用于表征ZnS∶Cu和硅膠材料的特征峰。

2.2 力學特性試驗

采用萬能試驗機對自響應仿生皮膚試件進行定速加載拉伸試驗，加載速度分別設定為360、36、5 mm/min，對應的應變率分別為0.10、0.010、0.001 4 s-1。對科騰基仿生脂肪試件進行準靜態壓縮試驗，加載速率為75 mm/min，應變率為0.10 s-1。

2.3 沖擊感測能力試驗

霍普金森桿的發射原理與空氣炮相似［15］，所以本文使用霍普金森桿的氣動部分對制備的自響應仿生靶標進行氣源沖擊試驗，來驗證自響應仿生皮膚的響應能力。采用壓電式壓力傳感器采集作用在靶標上的沖擊壓力，用單反數碼相機在靶標背面記錄受力發光圖像。試驗在黑暗條件下進行，確保相機記錄的受光全部由自響應仿生皮膚產生，試驗現場布置如圖3所示。

3 試驗結果與分析

3.1 自響應仿生皮膚的紅外光譜分析

首先，利用紅外光譜測試考察了力致發光材料分散在硅膠中時，是否發生化學變化而導致硅膠變性，紅外光譜圖如圖4所示。

由圖4可看出，加入ZnS∶Cu后，自響應仿生皮膚（特別是硅膠）并沒有發生可觀察到的變

化，硅膠特征峰在3 683.6 cm-1（對應硅膠中沒有交

聯的自由Si－OH或羥基封端基的－OH伸縮振動峰）、1 530.8 cm-1、1 717.2 cm-1（對應硅膠中雙鍵封端基團）、1 096.6 cm-1（對應硅膠中Si—O—基團伸縮振動）和899.5 cm-1（對應硅膠中Si—C—基團伸縮振動）處均相應存在，峰形變化也不大。 這說明，力致發光材料可在賦予硅膠自響應特性的同時而不影響其化學穩定性。

3.2 自響應仿生皮膚及靶標的力學特性分析

3.2.1 自響應仿生皮膚的力學響應

力學特性是仿生靶標生物相似性的重要判據，相近（或相等）的應力特征、變形性質和力學響應是仿生材料能否真實反映人體皮膚力學行為的前提。圖5展示了不同ZnS∶Cu含量的自響應仿生皮膚在不同拉伸速率下的準靜態力學曲線（即拉伸應力-應變曲線）。自響應仿生皮膚在小形變區是線彈性（應力-應變曲線斜率不變），而在大形變區則偏離線彈性規律（應力-應變曲線斜率偏向縱坐標，超彈性），這與人體皮膚相同。生物皮膚本質上是高分子，這種大形變是非線性力學行為，是高分子超彈性的表現。表1顯示了自響應仿生皮膚的力學參數，可看出，小形變區的模量較低，為0.69～0.76 MPa；而大形變區的模量遠大于小形變區模量，是小形變區的2倍多，約為1.7 MPa，此性質同樣與人體

皮膚一致。對比本研究的自響應仿生皮膚與人體

皮膚的力學性能發現，所制備的自響應仿生皮膚的拉伸模量與人體皮膚的非常接近（見表2），3種自響應仿生皮膚（ZnS∶Cu-0、ZnS∶Cu-5、ZnS∶Cu-10）在0.10 s-1應變率下低應變范圍內的彈性模量分別與人體前臂皮膚［14］相差8.00%、5.33%、1.33%，表明選用的硅膠材料力學上具有生物相似性。另外，對比無ZnS∶Cu的仿生皮膚，自響應仿生皮膚的彈性模量隨著力致發光材料ZnS∶Cu含量的增加也呈上升趨勢（見圖6），表明力致發光材料的加入會增大高分子材料的彈性模量。

3.2.2 仿生脂肪的壓縮力學響應

為驗證仿生脂肪的相似性，在0.10 s-1應變率下對其進行準靜態壓縮試驗，力學響應結果（壓縮應力-應變曲線）如圖7所示。另外，將綿羊臀部脂肪、人體足根部脂肪、乳腺脂肪的力學參數進行了比較，如表3所示。由圖7和表3可知，應變范圍為0～0.7時，仿生脂肪的彈性模量為30.5 kPa，與文獻［19］中綿羊臀部脂肪的（28.9±14.9）kPa相差5.53%，表明兩者的彈性模量基本一致，科騰聚合物可以作為仿生脂肪材料。

3.3 自響應仿生靶標的自響應特性試驗

3.3.1 氣源沖擊測試

在沖擊氣壓分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa條件下，使用霍普金森桿氣源沖擊裝置測試了自響應仿生靶標的自響應特性。當氣壓作用在自響應仿生靶標上時，靶標將力信號轉化為光信號，發出綠色熒光。當氣壓依次增大時，光信號隨之增強。利用照相記錄裝置記錄了自響應仿生靶標在不同氣壓下的受力發光圖像（熒光圖像），如圖8所示。將受力發光圖像以發光區域為中心，截取200 px×200 px像素面積的圖像，然后采用MATLAB軟件將這些熒光圖像轉化為灰度圖。灰度值的變化通過從藍色漸變至黃色直觀展示，其中顏色加深表示熒光強度增強。由圖8可知，所制備靶標具備自響應特性，可用于靶標受力時鈍擊場的無損測試。

3.3.2 力光特性標定與鈍擊場感測能力驗證

沖擊試驗中，利用標準壓力傳感器記錄沖擊氣

壓分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa時，作用在自響應

仿生靶標上的鈍擊場沖擊波信號（如圖9 a）—d）所示）。鈍擊場沖擊波初到峰值壓力（以下簡稱峰壓）是最敏感和最易捕捉的特征信號，故以鈍擊場沖擊波初到峰壓作為標定值，概念性地標定并驗證自響應仿生靶標鈍擊場感測能力。本研究提取了鈍擊場沖擊波的峰壓及圖像受力產生的熒光強度（灰度）值構建了初到峰壓-熒光強度對應關系，如圖9 e）所示，圖中皮爾遜相關系數為0.956，R2為0.915。式（1）對熒光強度與鈍擊場沖擊波初到峰壓進行了對應（標定）。

P=－2.358+1.855I，

（1）

式中：P為鈍擊場沖擊波初到峰壓；I為熒光強度。

由圖9 e）可知，鈍擊場沖擊波初到峰壓-熒光強度一定程度上為準線性關系，表明其一定程度上可用于力載測試，自響應仿生靶標可作為新型非標準力載傳感手段。

初步標定后，制備了一個新的自響應仿生靶標樣品，然后利用同樣的試驗裝置測試了沖擊氣壓為0.3 MPa時的自響應仿生靶標熒光強度（同時也搭載了標準壓力傳感器測量鈍擊場沖擊波）。測得的熒光強度（灰度）值和鈍擊場沖擊波壓力分別為30、59.4 kPa（見圖10）。利用圖9 e）中的線性關系，當熒光強度（灰度）值為30時，對應的沖擊波初到峰壓應為51.28 kPa，相對誤差為13.7%，準確性相對較高。因此，自響應仿生靶標在實時可視化表征軟組織受鈍擊場沖擊波影響的研究中具有較大的潛力。

4 結 語

本文設計合成了一種自響應仿生靶標，并進行了準靜載試驗，通過分析對比自響應仿生皮膚與人體皮膚、科騰基仿生脂肪與生物脂肪的彈性模量，對自響應仿生皮膚與人體皮膚、科騰基仿生脂肪與生物脂肪組織的相似性進行了量化評估，確證了自響應仿生皮膚與科騰基仿生脂肪貼合作為自響應仿生靶標的可行性；進一步對設計合成的自響應仿生靶標進行了氣源沖擊試驗，驗證了沖擊作用下沖擊壓力與熒光強度的相關性。得到如下主要結論。

1）加入力致發光材料后，自響應仿生皮膚中硅膠材料的化學穩定性不受影響，并且與人體皮膚具有力學相似性。

2）科騰基仿生脂肪與文獻中綿羊臀部脂肪的彈性模量相差5.53%。

3）設計合成的自響應仿生靶標，在進行氣源沖擊試驗時，自響應仿生皮膚的熒光強度與沖擊氣壓具有較好的線性關系，當沖擊氣壓為0.3 MPa時，沖擊波峰壓相對誤差為13.7%，表明自響應仿生靶標感測沖擊壓力具有較高的準確性。

研究結果表明自響應仿生靶標在實時可視化表征軟組織受沖擊波場影響方面具有較大的潛力。但是，本文只是對仿生靶標的合理性及自響應能力進行了評估，在后續的研究中可對發光現象與沖擊作用的映射機制作進一步深入分析，為力致發光材料應用于彈道終點測試領域提供參考。

參考文獻/References：

［1］

溫垚珂，李子軒，閆文敏，等.基于3D-DIC技術的防彈頭盔性能測試與評估［J］.北京理工大學學報，2022，42（5）：463-470.

WEN Yaoke，LI Zixuan，YAN Wenmin，et al.Test and evaluation of ballistic helmet performance basedon 3D-DIC technology［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2022，42（5）：463-470.

［2］ 崔廣宇.槍彈對帶防彈頭盔的人體模擬靶標鈍擊效應研究［D］.南京：南京理工大學，2019.

［3］ GENOV B G，GENOV G B.Why ballistic testing methods of body armor do not give us accurate information［J］.Journal Scientific and Applied Research，2012，2（1）：120-128.

［4］ BOUYRA Q，BLAYSAT B，CHANAL H，et al.Using laser marking to engrave optimal patterns for in-plane displacement and strain measurement［J］.Strain，2022，58（2）：e12404.

［5］ KARIMATA A，PATIL P H，FAYZULLIN R R，et al.Triboluminescence of a new family of CuI-NHC complexes in crystalline solid and in amorphous polymer films［J］.Chemical Science，2020，11（39）： 10814-10820.

［6］ TUKHBATULLIN A A，SHARIPOV G L.Mechanoluminescence of samarium（Ⅲ） sulfate crystals activated by ultrasound［J］.Optical Materials，2023，143：114253.

［7］ TUKHBATULLIN A A，KOVYAZIN P V，SHARIPOV G L，et al.Photoluminescence and mechanoluminescence of solid-state zirconocene dichlorides［J］.Luminescence，2021，36（4）：943-950.

［8］ KLEIN C，ENGLER R H，HENNE U，et al.Application of pressure-sensitive paint for determination of the pressure field and calculation of the forces and moments of models in a wind tunnel［J］.Experiments in Fluids，2005，39（2）：475-483.

［9］ 張國棟，趙玉龍，孫警，等.ZnS∶Cu力致熒光薄膜在沖擊壓力作用下的光學響應規律及應用［J］.高壓物理學報，2022，36（2）：17-25.

ZHANG Guodong，ZHAO Yulong，SUN Jing，et al.Optical response and application of mechanoluminescent film of ZnS∶Cu under impact pressure［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2022，36（2）：17-25.

［10］FONTENOT R S，HOLLERMAN W A.Measuring triboluminescence from ZnS∶Mn produced by ballistic impacts［J］.Journal of Instrumentation，2011，6（4）：T04001.

［11］WANG Xiandi，ZHANG Hanlu，YU Ruomeng，et al.Dynamic pressure mapping of personalized handwriting by a flexible sensor matrix based on the mechanoluminescence process［J］.Advanced Materials，2015，27（14）：2324-2331.

［12］YAN Chunmei，HE Xiao，YU Bo，et al.A Mechanoluminescence-based stress sensing hydrogel for intelligent artificial ligament［J］.Advanced Functional Materials，2024：2420142.

［13］GB/T 1040.1—2018，塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則［S］.

［14］GB/T 7759.1—2015，硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測定 第1部分：在常溫及高溫條件下［S］.

［15］朱成俊，盛青山，劉立新.動態力學模擬試驗信號產生系統結構設計［J］.河北工業科技，2024，41（5）：391-398.

ZHU Chengjun，SHENG Qingshan，LIU Lixin.Structural design of signal generation system for dynamic mechanics simulation test［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（5）：391-398.

［16］CLARK J A，CHENG J C，LEUNG K S.Mechanical properties of normal skin and hypertrophic scars［J］.Burns，1996，22（6）：443-446.

［17］VIATOUR M，HENRY F，PIRARD G E.A computerized analysis of intrinsic forces in the skin［J］.Clinical and Experimental Dermatology，1995，20（4）：308-312.

［18］TROTTA A，ANNAIDH A N.Mechanical characterisation of human and porcine scalp tissue at dynamic strain rates［J］.Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2019，100：103381.

［19］GEFEN A，HABERMAN E.Viscoelastic properties of ovine adipose tissue covering the gluteus muscles［J］.Journal of Biomechanical Engineering，2007，129（6）：924-930.

［20］MILLER-YOUNG J E，DUNCAN N A，BAROUD G.Material properties of the human calcaneal fat pad in compression： Experiment and theory［J］.Journal of Biomechanics，2002，35（12）：1523-1531.

［21］ZHOU Muran，HOU Jinfei，ZHANG Guo，et al.Tuning the mechanics of 3D-printed scaffolds by crystal lattice-like structural design for breast tissue engineering［J］.Biofabrication，2019，12（1）：015023.

收稿日期：2024-10-29;修回日期：2025-01-03；責任編輯：王海云

基金項目：瞬態沖擊全國重點實驗室基金項目（6142606222106）

第一作者簡介：

王彤彤（1999—），女，內蒙古通遼人，碩士研究生，主要從事智能發光材料沖擊動力學、材料動靜態力學特性等方面的研究。

通信作者：

熊漫漫高級工程師。E-mail：xiongmm0817@163.com

王彤彤，熊漫漫，陳曉勇，等.

自響應仿生靶標力學和鈍擊響應特性研究

［J］.河北工業科技，2025，42（2）：189-196.

WANG Tongtong，XIONG Manman，CHEN Xiaoyong，et al.

Mechanical and blunt impact response characteristics of self-responsive bionic target

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2025，42（2）：189-196.