傳統壓痕技術在高應變率動態力學性能測試中存在極限，難以滿足高速沖擊、爆炸等極端工況下的材料力學特性測量需求，新興的沖擊壓痕技術又存在儀器框架柔性變形和傳感器非同步誤差這一核心痛點。
吉林大學研究團隊，創新性結合動量交換沖擊技術與高速攝像機動態標定，實時捕捉實驗過程中的框架變形過程，實現微米尺度下動態力學性能測量。
研究成果詳見論文《A novel impact indentation technique with dynamic calibration method for measurement of dynamic mechanical properties》。
1實驗設備
1）沖擊加載裝置：基于動量交換原理，打造鎢鋼合金柔性鉸鏈與擺錘相互作用的沖擊裝置。
2）力-位移傳感系統：壓電式載荷傳感器用于實時記錄施加于試樣的載荷并轉化為電信號，激光多普勒測振儀同步獲取壓頭位移數據。
3）高速攝像標定模塊：基于千眼狼Revealer高速攝像機采集的圖像序列，用于捕捉彈性鉸鏈振動與框架形變，結合圖像處理技術修正壓痕深度誤差。
圖1
2實驗步驟
運動特性可視化驗證：通過高速攝像機記錄無試樣狀態下柔性鉸鏈與擺錘的動量交換過程，結合目標追蹤軟件獲取彈性鉸鏈與擺錘的速度-位移曲線，圖2為無試樣沖擊過程。
2. 系統動態標定：針對傳感器信號延遲與框架形變導致的位移誤差，設計雙質量塊標定裝置，通過高速攝像機測量彈性鉸鏈自由振動，計算LDVS與高速攝像機的像素位移轉化系數c_d=0.535 μm/pixel，如圖3(d)，另分析力傳感器峰值與位移數據谷值的時差，修正壓電傳感器與高速攝像機的時間偏差t=69.5 μs，如圖3(e)。
3. 沖擊測試階段：在單晶鋁試樣表面進行沖擊壓痕實驗，通過改變擺錘的初始高度和角度，實現不同的沖擊速度，利用高速攝像機，以110,000fps速率記錄框架變形情況及壓頭-試樣的相對位置，量化并消除儀器柔性引入的深度誤差。
3高速攝像部分 實驗圖像數據與結論
圖2
圖2(b)展示了高速攝像機捕捉的無試樣時擺錘完整沖擊運動的序列圖像，清晰捕捉兩次動量交換瞬態圖像，階段I為擺錘加速至0.3m/s撞擊柔性鉸鏈；階段II為擺錘傳遞動量后靜止；階段III柔性鉸鏈獲得0.3m/s反向速度；階段IV為柔性鉸鏈反向撞擊擺錘，避免二次沖擊；階段V系統自動振動衰減，從視覺上驗證避免試樣二次沖擊的設計原理。圖2(c)引入目標跟蹤算法將圖像序列轉化為位移-速度曲線。
圖3
圖3(b)展示了高速攝像機以110,000fps捕捉的柔性鉸鏈在系統標定實驗中的運動序列，對應圖3(a)的5個階段，驗證動量交換機制與標定原理。圖3(c)為高速攝像機/LDVS/力傳感器數據，用于標定位移因子與時間同步，圖3(d)為位移因子標定，圖3(e)顯示時間相位一致。
研究人員通過千眼狼高速攝像機捕捉框架變形與擺錘運動細節，為沖擊壓痕測試提供精準位移與時間數據。此新型沖擊壓痕技術與動態標定方法為固體材料在高應變率下的材料力學性能研究提供高精度、抗干擾的測量解決方案，在航天材料高速沖擊響應、復合材料動態失效分析、納米涂層抗沖擊評估等高應變率場景下具有應用潛力。
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