目前工程材料的工作环境往往涉及到爆炸、高速冲击、切削、高温、高应变率等极端条件，此时材料的动态力学性能是人们非常关心的一个重要问题。这类载荷作用时间一般较短(微秒乃至纳秒)、冲击强度高,足以引起大变形乃至破坏，所以研究材料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的工程意义。
一般情况下材料的准静态的应变率在10-5~10-2 s-1之间，其动态冲击的高应变率往往在102 ~104 s-1之间，甚至会达到106 s-1(应变率即应变变化的速率，指单位时间产生的应变)。一般材料在准静态和冲击载荷下的力学性能存在着较大的差异，即应变率相关性，随着应变率的增加，惯性效应与研究对象的物理性能（应变率效应）分离开来。下表为各种加载方式所能满足的加载应变率范围以及对应力波的影响。
目前，在高应变率冲击测试中，人们普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)杆，霍普金森装置，英文简称 SHP(T)B，应变率范围 102～104。
SHPB实验装置图
SHPB 实验的基本原理建立在二个基本假定的基础上，即一维假定(又称平面假定)和应力均匀假定。一维假定认为应力波在细长杆的传播过程中，弹性杆中的每个横截面始终保持为平面状态；应力均匀假定认为应力波在试件中反复 2～3个来回，试件中的应力处处相等。由此可利用一维应力式中 C0、A、E、A0、L 分别为弹性杆的波速、横截面积、弹性模量、试件的横截面积及原始长度．由此得到试件的动态应力、应变、应变率随时间变化趋势，进而在时间尺度上得出三者之间的对应关系。
SHPB实验原理图
自1949年世以来，SHPB经过几十年的发展，已经成为动态力学测量的主要设备，它具有结构简单、操作方便、测量方法精巧、加载波形易控制等优点，其所测量的应变率范围也是人们所关心的一般工程材料应变率敏感性变化比较剧烈的范围。但是过去的Hopkinson 技术主要应用在金属及其合金材料上，这类材料拉压特性基本对称而且塑性变形能力较大，而复合材料由于其结构的多变性，其阻抗、延展性等与金属相差较大，故此装置仍需要不断的发展。
动态压缩试验
一般认为复合材料是粘弹性材料，为了保证加载时材料内应力均匀性，可以在输入杆的头端粘贴铜片作为波形整形器，波形整形器的作用是延长入射波的上升沿，增加试样有效的加载时间，保证试样中的轴向应力均匀。一般来说，当试样两端面的轴向应力差小于5％时，就可以认为试样中的轴向应力已达到均匀。
典型的冲击压缩应力脉冲信号
动态拉伸试验
与动态压缩试验相比较，动态拉伸试验比较复杂，需要对压杆进行改装。目前主要采用的是反射式SHPB装置，通过应变片记录反射波、入射波、透射波，从而得到其应力-应变曲线。
普金森拉杆原理图
动态剪切试验
复合材料的动态剪切试验一般是通过对试样的合理设计，利用霍普金森杆压杆实现剪切变形，这种装置与压杆装置相似，通过压缩间接地实现对复合材料的剪切变形，得到复合材料的剪切应变率、应力-应变关系。
用于动态剪切测试的霍普金森杆
总结
利用霍普金森杆装置可对各种复合材料的动态压缩、拉伸、剪切等性能作全面详细的测试，依据测试结果分析复合材料的应变率行为。从下图可以明显的看出玻纤／环氧复合材料随着应变率的提高，其破坏强度也逐渐提高，这表明它是一种应变率敏感材料。
玻纤／环氧复合材料的动态压缩曲线
霍普金森杆设备能力介绍
应变速率：>100/s(由试件尺寸和材料决定)
发射速度：3-40m/s
采集频率：~10MHz
驱动装置：空气压缩机0.1-4Mpa
测试温度：-70～800℃
试件尺寸：d10*5mm
炮筒长度：2000mm
应变测量：应力波计算或高速相机
执行标准： GJB 8374-2015 金属材料动态拉伸试验方法、 GB/T 34108-2017 高应变速率室温压缩试验方法、 GB/T 7314-2017 金属材料 室温压缩试验方法
来源：Internet
关键词：
高分子复合材料
霍普金森杆
