弹体进行目标侵彻时,内载测控装置往往承受几万甚至十万g值的加速度过载。作为弹体上的“黑匣子”,测控装置在此恶劣环境下的耐撞性直接决定了测试的成败。针对这一兵器安全技术问题,大量工程实践和研究均表明牺牲式的泡沫金属填充结构可提供较好的高g值安全防护效果。然而,高密度泡沫金属在平台段的流动应力增长迅速,不利于缓冲结构提供稳定有序的反馈载荷。高聚物复合泡沫往往能够提供较较为平稳的平台应力,且高聚物泡沫材料具有较强的粘弹性,在抗多次冲击时具有较好的安全防护性能。另外,脆性空心颗粒填充高聚物制备的复合泡沫具有成本低廉、环境友好和高缓冲耗能性等优点,在军民缓冲防护领域中极具应用价值。然而,空心微球填充实体高聚物时受微球体积分数的影响,一般难以获得较高的填充比和较低的泡沫密度。结合上述两方面问题,本文提出采用空心微球为主体材料、以高聚物泡沫作为粘结剂、引入多孔金属为增强相制备新型复合泡沫,通过进行静动态压缩实验,研究新型复合泡沫在静动态压缩载荷下的力学特性并考察其填充壳在弹载轻质元器件高g值安全防护中的动力响应和缓冲机理。发展新型高性能复合泡沫制备方法、探索粉煤灰漂珠综合利用新途径,为新型复合泡沫在军用轻质元器件的高g值安全防护技术提供思路。本文通过压力渗透法制备了具有不同密度和漂珠尺寸的粉煤灰漂珠聚氨酯复合泡沫(Fly ash cenospheres polyurethane syntactic foams,CPSFs),通过引入蜂窝铝作为增强相制备了增强复合泡沫(R-CPSFs)。其中,利用大小两种颗粒尺寸的漂珠分别制备了普通泡沫LGs和LTs、铝蜂窝增强泡沫RLGs和RLTs,通过SEM观察可知制备的复合泡沫中漂珠和粘结剂分布较为均匀、结合界面紧密,铝蜂窝增强相不影响材料微观构型,只是将CPSFs分割为铝蜂窝孔内若干个六棱柱。粉煤灰漂珠和粘结剂(Rigid polyurethane foam,PUR)引入的大量微孔可为材料提供较大的压缩空间。针对制备的四种CPSFs的孔隙率和基体密度进行理论分析,提出的经验公式可以较为准确地预测漂珠/聚氨酯复合泡沫的孔隙率和基体密度,与实验结果较为一致。基于万能材料试验机和霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验,对制备的四类复合泡沫进行准静态和动态力学特性实验,研究CPSFs的材料密度和漂珠尺寸对力学性能的影响以及复合泡沫的增强机制。首先,对不同密度(0.4~0.7g/cm~3)的四类CPSFs分别进行准静态压缩实验,结果表明:四种CPSFs的强度和平台应力与相对密度间均满足幂函数关系,其中RLTs力学性能随相对密度的增强速率最显著,LTs力学性能随相对密度增强速率最低。当CPSFs相对密度小于0.29时,颗粒尺寸对其力学性能影响不大;当相对密度大于0.29时,使用较小的漂珠颗粒可以明显改善RLGs和RLTs的力学性能;然而在测试密度范围内,LGs的力学性能略优于LTs。其次,基于散斑测量和数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)分析了CPSFs在静态压缩下的力学行为特征,结果表明无论是普通复合泡沫还是含有增强相的复合泡沫,其中CPSFs在准静态压缩下的初始失效模式均由随机产生和分布的变形集中带控制,这与泡沫材料细观结构的不均匀性和随机性相关。普通复合泡沫的准静态压缩失效模式由剪切变形带主导。增强相复合泡沫中,CPSFs被四周铝箔完全强限制时,主要产生轴向压缩变形。相反,CPSFs四周的铝箔限制较弱或准静态单轴压缩时,材料主要产生剪切破坏。通过对比分析普通CPSFs和增强CPSFs之间力学性能的关系可知,RLGs增强机制可直接归因于于蜂窝铝的添加,而对于RLTs而言,其力学性能的额外增强受失效模式转变和密度的共同影响。再次,为获得高g值冲击下复合泡沫的动态力学行为,通过SHPB实验研究了高应变率下四种CPSFs的力学特性,结果表明普通复合泡沫LGs和LTs的动态强度的提升约31%~65%和39~46%,均在30%以上。增强泡沫RLGs和RLTs的动态强度分别提升约25%~35%和28~35%,均在35%以下。普通复合泡沫在冲击加载下材料强度提升效应要远高于增强复合泡沫。LGs的平台应力不具有应变率敏感性,静动态下平台应力和能量吸收基本一致。RLGs、LTs和RLTs三种复合泡沫在压实应变处其动态吸收能量提升分别约19%~23%、25%~30%和24%~30%。最后,结合高速摄影和DIC分析了高应变率下含不同材料组分的CPSFs变形模式,结果表明普通泡沫LGs和LTs的失效模式对应变率具有敏感性,材料的初始失效模式由准静态下的剪切破坏转变为高应变率下的轴向裂纹失效。RLGs和RLTs中由于存在铝蜂窝的侧向变形限制,CPSFs的静动态失效模式均以轴向压缩为主。CPSFs变形模式的转变导致了增强复合泡沫在高应变率下的性质不同于普通复合泡沫。综上可知,铝蜂窝作为增强相不仅能提高复合泡沫力学性能,而且能改善CPSFs的动态力学行为,利于复合泡沫在冲击防护中应用。在此实验结果基础上,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了CPSFs填充壳对轻质元器件的高g值缓冲数值模拟模型,探讨了CPSFs填充壳在轻质元器件高g值安全防护中的应用。在幅值为60000g、脉宽为180μs典型激励加速度加载下,考察了CPSFs应变率效应对缓冲效果的影响规律,结果表明当考虑材料应变率效应时,相同结构参数和高g值冲击下CPSFs的吸收的能量及其在总能量中所占的比例均有显著提高,表明泡沫材料的动态力学特性能够改善复合结构中各组件的能量吸收比例;然后,针对平台应力和耗能特性相当的泡沫铝和CPSFs两种泡沫材料填充管的高g值安全防护效果进行对比分析,结果表明,在有限的高g值冲击载荷作用下,泡沫铝由于流动应力的不稳定导致缓冲加速度出现阶跃式上升,不利于复合结构为元器件提供稳定的反馈载荷;CPSFs由于稳定的动态平台应力,能够有效降低缓冲加速度的不平稳度,提供更优异的安全防护和能量吸收效果。为进一步拓展漂珠聚氨酯复合泡沫应用技术,通过调控不同尺寸的漂珠的分布规律制备了分段梯度和分层梯度两种结构型复合泡沫,压缩实验表明该类复合泡沫力学特性和变形行为具有典型的分段性和可调控性,但分层结构导致材料具有典型的力学行为各项异性特征。结构复合泡沫的力学性能不仅依赖于材料的宏观密度,还与内部结构相关性较大:即其中的LGs与LTs层间厚度、层结构规则程度、交界面结合情况以及层数等因素均能够严重影响材料的宏观力学行为。作为对比,本文还研究了变孔径梯度泡沫铝在纵向和横向压缩下的力学行为,结果表明:梯度泡沫铝(Functional density graded aluminum foams,FGs)的横向压缩具有更高的抗压强度,但其平台应力的降低和致密化应变的减小导致横向压缩下的能量吸收低于纵向压缩。纵向压缩的FGs失效模式为变形集中带的渐进式压缩,而横向压缩的变形带则随机分布,横向压缩造成试样产生较大的侧向膨胀效应,进而导致试样胞孔产生更多的撕裂和横向拉伸变形。在涉及梯度泡沫材料的复合结构设计时,需要同时考虑载荷横向冲击下泡沫材料防护性能降低的问题,该结果可为相关工程优化设计提供依据。