Page 88 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 马路遥，等： 孔隙坍塌行为对多孔材料冲击压缩特性的影响理论分析 第 12 期

the relationship between the stress of the matrix material and the macroscopic stress in the porous material. Based on the

calculation model of shock compression characteristics considering pore collapse behavior, the Hugoniot data of the material
are calculated, and the influence of pore collapse behavior on the shock compression characteristics of porous materials is
discussed. The results show that the shock compression characteristics of the material are significantly affected by the pore
collapse behavior at lower pressures, and the model in this paper can predict the shock wave parameters of porous materials
more accurately.
Keywords: porous material; Wu-Jing equations; shock wave structure; pore collapse

[1]
多孔材料内部孔隙体积占比可达 30%，孔隙结构对其物理性能有着重要的影响 。多孔材料变形过
[2]
程伴随着孔隙坍塌行为，发生显著的体积变化，因而具有优异的能量吸收特性 ，在冲击防护与吸能领域
应用广泛 。同时强动载冲击作用下，多孔材料孔隙在闭合过程中更容易形成局部热点，与传统密实材
[3]
料相比更容易形成高温响应区，是高能量密度物理领域关注的焦点 问题之一。实现对多孔材料冲击压
[4]
缩特性参数的可靠预测对于指导该类材料的设计与制备具有重要意义。
早期研究中，学者们对多孔材料的孔隙坍塌行为的研究主要采用“雪崩”模型 [5] 进行简化，假设在
零压时多孔材料已经压实，进而采取 Grüneisen 物态方程沿等容路径建立疏松材料的物态方程。Oh 等 [6]
[7]
沿等压路径构建了多孔材料物态方程。Wu 等 、李欣竹等 [8] 假设材料在恒压吸热过程中定压比热容保
持常数，获得了与 Grüneisen 物态方程形式相近的热力学物态方程。Boshoff 等 通过对比 Wu-Jing 型物
[9]
态方程与其余几种疏松材料的物态方程的计算结果，发现 Wu-Jing 方程的计算结果最好，且在此基础上，
进一步提出以 Shchetinin 方程描述冷压与冷能，使用 Slater 方程描述 Grüneisen 系数，改进了 Wu-Jing 方
程的求解流程。Geng 等 [10] 、耿华运等 [11] 讨论了非谐振效应对材料比热容的影响，考虑等压路径下热电
子效应以及计算冲击温升的方法，并给出了 Wu-Jing 参量的统计力学形式，阐明了其微观物理图像。
Zhang 等 [12] 结合冷能叠加原理建立了混合物冷能曲线，建立了多孔混合物的冲击压缩特性计算方法，扩
展了 Wu-Jing 型物态方程的计算对象。Zhou 等 [13] 沿等压线引入了材料在高温与室温下的比内能差值，
建立了求解具有初始温度的材料冲击压缩特性方法；Wu 等 [14] 通过考虑孔隙内气体对比内能的贡献，建
立了求解孔隙内含气体的疏松材料冲击压缩特性计算方法，计算结果与分子动力学模拟结果相符合。
多孔材料冲击试验中，学者们很早就观测到具有三波结构的波剖面，如 Boade [15] 在研究多孔钨的冲
击波剖面时发现材料内存在具有稳定传播速度的 2 个前驱波及 1 个后继冲击波。类似的波剖面结构同
样可以在其他多孔金属 [16-19] 、聚合物 [20] 和多孔陶瓷 [21-22] 等多种不同多孔材料的冲击试验中观察到。但
是，对多孔材料在冲击压缩初始阶段存在的弹性前驱波、塑性波及冲击波“三波结构” [15-16, 18-19] 的理论
研究较少，这可能导致多孔材料在低压区压缩特性计算结果误差较大，亟待对多孔材料孔隙坍塌行为与
冲击压缩特性的关系开展理论分析并建立相应计算方法。
综上所述，本文中针对孔隙坍塌行为对多孔材料冲击物态特性的影响开展研究，分析多孔材料中孔
隙坍塌行为与冲击波结构间的内在关系，基于冲击波分离和冲击波追赶模型构建多孔材料冲击波结构
的低压单波模式、双冲击波模式、高压单波模式理论模型，围绕 3 类冲击波模式建立与其相容的多孔材
料冲击压缩特性计算方法，讨论孔隙坍塌行为对多孔物质冲击压缩特性的影响规律。

1 冲击压缩过程

图 1 所示为 Wang 等 [18] 在研究多孔铝的动态压实与断裂行为时使用 VISAR 记录到的具有三波结构
的波剖面。压缩过程中，波剖面包含 2 个强度较低的前驱波和 1 个强度较高的后继冲击波。试验结果
表明 [15-16, 19] ，冲击过程中第 1 道前驱冲击波的波速与通过超声波测试测得的弹性纵波波速相近，其应视
为弹性波在多孔材料内的传播结果，但第 2 道前驱冲击波以及后继冲击波的产生机制并不明确。
Carroll 等 [23] 指出压缩过程中多孔材料内部的应力并非均匀分布，而是孔隙内表面附近的材料首先

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