高速摄像机在柔性功能材料冲击实验中的测量价值
1. 柔性功能材料的冲击实验为何需要高速成像？
柔性冲击传感器需要同时满足结构稳定、能量吸收和机电感知等要求，但这些性能在实际冲击过程中往往相互关联。
传统准静态力学测试能够获得应力—应变曲线和加载—卸载特征，却难以完整反映瞬态冲击下的整体弯曲、失稳及恢复过程。
对于具有波纹、晶格或其他复杂几何形态的功能材料，冲击过程中的宏观变形方式直接关系到结构设计能否发挥预期作用。如果仅依据冲击前后的静态形貌，试样即使最终恢复原状，也可能掩盖冲击瞬间发生的大幅度弯曲。
因此，动态冲击实验需要引入具有时间分辨能力的视觉观测手段，记录材料从加载、变形到恢复的过程，并提取相应的运动学与形态参数。高速摄像机正是完成这类测量任务的重要设备。
2. 实验案例：高速摄像机验证波纹—互穿相复合架构
在发表于《Advanced Functional Materials》的一项研究中，研究团队构建了融合波纹结构与三维互穿相的柔性冲击传感器。
外部波纹结构用于改善整体稳定性，内部互穿相材料通过协同承载与变形实现能量耗散，并利用导电网络变化产生压阻响应。
研究采用千眼狼（Revealer）高速摄像机，对落锤和高速弹丸冲击过程进行记录，结合力学、电学测试评价复合架构的综合性能。该实验展示了高速摄像机在功能材料测试中的三个具体测量价值。
图1-高速摄像机与落锤冲击实验系统
2.1 捕获瞬态变形，验证结构设计的有效性
落锤实验采用200 g冲击质量、2 m释放高度，实测撞击速度约6.2 m/s。
研究通过高速摄像机记录两种结构的冲击形态，并提取试样上下端轴线之间的弯曲角。
高速图像显示，无波纹结构在冲击中发生明显整体弯曲，弯曲角约69.8°；波纹结构的弯曲角约170.5°，卸载后接近完全恢复。这一结果表明，外部波纹结构能够有效降低瞬态冲击下的整体侧向弯曲倾向。
对于功能材料的结构设计验证，高速摄像机提供的价值在于：将仿真与准静态测试所表征的稳定性差异，进一步落实到真实冲击工况下可观察的动态变形证据。
图2-千眼狼高速摄像机参与的200 g落锤冲击实验及柔性传感器变形对比：2 m释放高度、撞击速度约6.2 m/s，无波纹与波纹结构的冲击弯曲角分别约69.8°和170.5°。
2.2 区分瞬态变形与残余变形，评价重复冲击稳定性
冲击过程中的最大变形与卸载后的残余变形，是评价柔性吸能结构时需要分别考虑的两个指标。
在该研究中，无波纹结构冲击后的残余弯曲角约172.7°，而波纹结构接近180°，显示出不同的形状恢复能力。
进一步开展最多200次重复冲击实验后，研究发现波纹结构的抗冲击变形能力出现一定程度的下降，但形状恢复能力衰减较小。这说明，形状恢复良好并不必然意味着材料的抗冲击变形能力始终保持不变。高速摄像机通过记录不同冲击次数下的结构形态，使研究人员能够分别分析冲击时的变形程度和卸载后的恢复程度，为材料的动态结构稳定性及耐久性评价提供依据。
图3-最多200次重复落锤冲击中的柔性传感器弯曲角、残余弯曲角及形态对比，高速图像为分别评价动态结构稳定性与形状恢复能力提供依据。
2.3 观察弹丸反弹，建立冲击运动与传感响应的实验联系
为验证材料在高速冲击条件下的功能表现，研究人员以30 m/s的速度发射弹丸，分别撞击配置波纹传感器、无波纹传感器及普通钢板的模型人偶。高速摄像机记录弹丸撞击、反弹及模型人偶运动行为。
实验显示，两种柔性复合结构条件下人偶保持站立，普通钢板条件下人偶发生倾倒。波纹结构对应的弹丸反弹距离小于无波纹结构，研究将其作为改善冲击缓冲与吸能表现的依据之一。与此同时，电信号测试发现，波纹结构传感器产生较为集中的显著电流响应，而无波纹结构出现多个幅值较低的响应峰。
高速摄像机在其中承担运动行为观测任务，电信号采集装置承担传感响应测量任务。通过联合分析，可以从不同维度评价功能材料在冲击工况下的表现。
图4-30 m/s弹丸冲击实验的高速图像与电流曲线：对比波纹传感器、无波纹传感器及钢板条件下的弹丸反弹和模型运动，并展示两种传感器的电流响应差异。
3. 高速摄像机在功能材料实验中的测量边界
从上述案例可以看出，高速摄像机的作用并非替代力学试验机或电信号采集设备，而是提供不同测量手段难以直接获得的序列图像信息。
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测量任务 |
高速摄像机的作用 |
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冲击条件记录 |
获取落锤撞击速度等运动学信息 |
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结构变形分析 |
观察瞬态弯曲及整体变形模式 |
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形状恢复评价 |
比较冲击状态与卸载后的几何形态 |
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重复冲击测试 |
分析多次冲击后的宏观结构响应变化 |
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高速弹丸实验 |
记录反弹位置及模型运动行为 |
与此同时，比吸能、材料密度及应变灵敏系数等性能指标，需要通过相应力学和电学测试获得。
4. 从材料性能测试走向动态过程分析
随着柔性传感器、缓冲复合材料及多功能吸能结构向复杂冲击工况拓展，仅依靠静态测试结果已难以完整评价材料的实际动态响应。
本研究中，千眼狼高速摄像机通过记录落锤冲击、重复冲击及高速弹丸实验，提供了结构变形形状恢复与反弹行为的动态视觉证据。
这些数据不仅用于比较不同结构的抗冲击表现，也帮助研究人员验证几何设计对宏观变形模式的影响，并与力学、电学结果形成互补。
对于柔性功能材料研究而言，高速成像的价值正在于将冲击过程本身纳入实验评价，使材料设计、动态变形与功能表现之间建立更完整的证据联系。
详细研究成果请查阅原论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202419882
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