一種基于超材料的新型防爆復合結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于超材料的新型防爆復合結構，屬于防護領域。
【背景技術】
[0002]以往的防爆結構的研宄主要在兩個方面，一方面是基于材料本身對能量吸收的顯著作用，也就是利用材料變形吸收能量的原理研宄新材料；另一方面是利用反動量原理抵抗來襲爆炸波，設計復雜的結構。這些防爆結構的設計都考慮到了高能炸藥爆炸后產生的爆炸波能量極大、對目標破壞力極強，但都是將爆炸產生的爆炸波作為整體來考慮，用波陣面超壓大小衡量其能量大小及其對目標的破壞能力。這樣的防爆結構要么防爆性能不是很好，要么很厚、很重，例如車輛的一些復合裝甲、用于防爆建筑的鋼結構墻壁。
[0003]由于高能炸藥爆炸后產生的爆炸沖擊波對目標的破壞能力非常強，而且目前制作使用高能炸藥的彈藥非常容易，例如，一些局部戰爭中的路邊炸彈、恐怖襲擊使用的簡易爆炸裝置，因此，對防爆炸沖擊波材料與結構提出了很高的要求。
[0004]經過研宄發現，爆炸后產生的爆炸波實際上可以分為兩部分，如圖1所示，I區是超壓幅值最大區域，可以稱為爆炸沖擊波(亦簡稱沖擊波，shock wave) ；II區是以動量為主的區域，可以稱為爆炸壓力波(亦簡稱壓力波，pressure wave)。為此，爆炸波對目標的破壞可以分為兩個階段，第一階段是沖擊波對目標的沖擊效應導致目標產生預先的結構破壞，第二階段是壓力波對已產生結構預破壞的目標產生加劇破壞。基于此種爆炸波的兩階段破壞理論，設計一種基于超材料層的新型防爆復合結構。超材料層是由多個具有負等效質量或負等效模量的微結構組成，每一個微結構是一個沖擊振動吸收器。基于牛頓第二定律F = m*a，當質量m為負時，加速度a便與外力F的方向完全相反，因此，微結構的主要屬性就是具有負等效質量，使來襲沖擊波從另外的方向彈回去，從而避免了沖擊波對目標的結構破壞。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有防爆技術要么采用大變形吸能材料、要么使用反動量原理的復雜結構，導致防爆結構一般很厚、很重或者造價昂貴的問題，提供一種基于超材料的新型防爆復合結構。
[0006]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0007]一種基于超材料的新型防爆復合結構，第一層為超材料層、第二層為結合層、第三層為吸能緩沖層。
[0008]超材料層與吸能緩沖層通過結合層結合。
[0009]超材料層為具有負等效質量或負等效模量、能改變爆炸沖擊波傳播方向的多個微結構排列而成，能改變第一階段爆炸沖擊波傳播方向，阻止沖擊波使之不能進入結構內部或極大減弱進入結構內部的沖擊波，以至于目標結構不產生預破壞效應。
[0010]微結構的形式包括彈簧質量系統、金屬-非金屬球體系統；
[0011]所述金屬-非金屬球體系統形式的微結構包括:金屬球體、彈性材料、基體材料；金屬球體充當質量塊；彈性材料，起到彈簧的作用；基體材料把由彈性材料包裹著的金屬球體嵌入到基體中；
[0012]所述彈性材料包括硅橡膠材料；
[0013]所述基體材料包括環氧樹脂材料
[0014]結合層為更好控制爆炸壓力波的入射、反射和折射，能有機結合軟、硬層，使防爆性能得到優化的粘結劑類材料組成的結構。
[0015]所述粘結劑類材料包括半樹脂粘結劑產品、全樹脂粘結劑產品。
[0016]吸能緩沖層為依靠材料自身大變形來吸收高能炸藥爆炸后產生的壓力波能量的結構層，能吸收第二階段爆炸壓力波的能量，和傳統結構一樣主要依靠材料自身的大變形吸收能量，但由于具有極強破壞作用的沖擊波已經被阻隔，壓力波的破壞力要比沖擊波的破壞小得多。
[0017]吸能緩沖層為凱夫拉高吸能率材料、陶瓷脆性材料，或者蜂窩材料、泡沫鋁材料加工成的實心或空心狀結構。
[0018]有益效果
[0019]1、對比已有技術，本發明的優點在于:本發明將高能炸藥產生的爆炸波分為超壓幅值最大的爆炸沖擊波和后續以動能/沖量為主的爆炸壓力波兩部分來考慮，把爆炸波對目標的破壞分成爆炸沖擊波會對目標的預先結構破壞和爆炸壓力波對有缺陷結構的加劇破壞兩個階段，更貼近于實際，在這種理論基礎上設計的防爆結構能有效阻隔爆炸沖擊波、更容易吸收爆炸壓力波，因此提高了結構的防爆能力，在同等造價條件下，相比現有的防爆結構，防爆性能要提高30 %?50 %。
[0020]2、如果與現有防爆結構具有相當防爆能力時，可以更輕更薄，質量輕約30%，能使武器裝備的機動性能大大提尚。
[0021]3、設計的新型防爆復合結構可以應用于多種武器裝備的防護，例如主戰坦克、輕型裝甲車輛車體防護，尤其是防地雷反伏擊車的底部防護結構，還有飛機等，大大提高這些武器裝備在戰場上的生存能力；應用于防暴警車，使之免遭恐怖襲擊中炸彈的破壞。也可應用于重要建筑物的墻體結構，例如軍事指揮中心、核電設施等，防止重要目標在戰爭中、恐怖襲擊中受到彈藥攻擊。
【附圖說明】
[0022]圖1高能炸藥產生的爆炸波隨時間衰減特性；
[0023]圖2基于超材料的三層新型防爆復合結構；
[0024]圖3微結構形式為彈簧質量系統的超材料結構；
[0025]圖4微結構形式為金屬-非金屬球體質量系統的超材料結構。
[0026]其中，1-超材料層、2-結合層、3-吸能緩沖層、4-金屬球體、5-彈性材料、6_基體材料。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0028]實施例1
[0029]一種基于超材料的新型防爆復合結構，超材料層1、結合層2、吸能緩沖層3。
[0030]超材料層I與吸能緩沖層3通過結合層2結合。
[0031]超材料層I為金屬-非金屬球體系統組成的微結構。
[0032]所述金屬-非金屬球體系統組成的微結構包括:金屬球體4、彈性材料5、基體材料6 ;金屬球體4充當質量塊；彈性材料5，起到彈簧的作用，;基體材料6把由彈性材料5包裹著的金屬球體4嵌入到基體中。
[0033]所述彈性材料5為橡膠材料；
[0034]所述基體材料6為環氧樹脂材料。
[0035]結合層2為水溶性酚醛。
[0036]吸能緩沖層3為蜂窩鋁。
[0037]將由超材料層1、結合層2和吸能緩沖層3組成的新型防爆復合結構在爆炸洞內進行高能炸藥作用下防護效應及其后效試驗，利用壓力傳感器測試復合結構周圍的超壓值，發現復合結構后面的超壓不至于使有生力量死亡，起到了很好的防爆效果。與相當價格、同樣厚度的裝甲鋼相比，新型防爆復合結構對高能炸藥爆炸效應的防護能力提高了 40%左右
[0038]由多個金屬-非金屬球體系統組成的微結構排列而組成的超材料層1，能改變第一階段爆炸沖擊波傳播方向，阻止沖擊波使之不能進入結構內部或極大減弱進入結構內部的沖擊波，以至于目標結構不產生預破壞效應。利用高速攝像測試與分析技術，發現微結構形式為彈簧質量系統的超材料層對TNT、60TNT/40RDX這2種炸藥產生的爆炸沖擊波都能起到有效的阻隔，明顯看到沖擊波方向改變。
[0039]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:第一層為超材料層(1)、第二層為結合層(2)、第三層為吸能緩沖層(3); 超材料層(I)與吸能緩沖層(3)通過結合層(2)結合； 所述超材料層(I)為具有負等效質量或負等效模量、能改變爆炸沖擊波傳播方向的多個微結構排列而成，能改變第一階段爆炸沖擊波傳播方向，阻止沖擊波使之不能進入結構內部或極大減弱進入結構內部的沖擊波，以至于目標結構不產生預破壞效應； 所述結合層(2)為更好控制爆炸壓力波的入射、反射和折射，能有機結合軟、硬層，使防爆性能得到優化的粘結劑類材料組成的結構； 所述吸能緩沖層(3)為依靠材料自身大變形來吸收高能炸藥爆炸后產生的壓力波能量的結構層，能吸收第二階段爆炸壓力波的能量，和傳統結構一樣主要依靠材料自身的大變形吸收能量，但由于具有極強破壞作用的沖擊波已經被阻隔，壓力波的破壞力要比沖擊波的破壞小得多。
2.如權利要求1所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述微結構的形式包括彈簧質量系統、金屬-非金屬球體系統。
3.如權利要求1或2所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述金屬-非金屬球體系統形式的微結構包括:金屬球體(4)、彈性材料(5)、基體材料(6);金屬球體⑷充當質量塊；彈性材料(5)，起到彈簧的作用；基體材料(6)把由彈性材料(5)包裹著的金屬球(4)體嵌入到基體中。
4.如權利要求3所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述彈性材料(5)包括硅、橡膠材料；所述基體材料(6)包括環氧樹脂材料。
5.如權利要求1所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述粘結劑類材料包括半樹脂粘結劑產品、全樹脂粘結劑產品。
6.如權利要求1或5所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述粘結劑類材料包括水溶性酚醛。
7.如權利要求1所述的一種基于超材料的新型防爆復合結構，其特征在于:所述吸能緩沖層(3)包括凱夫拉高吸能率材料、陶瓷脆性材料，或者蜂窩材料、泡沫鋁材料加工成的實心或空心狀結構。
【專利摘要】本發明涉及一種基于超材料的新型防爆復合結構，屬于防護領域。發明第一層為超材料層、第二層為結合層、第三層為吸能緩沖層。超材料層與吸能緩沖層通過結合層結合。發明將高能炸藥產生的爆炸波分為超壓幅值最大的爆炸沖擊波和后續以動能/沖量為主的爆炸壓力波兩部分來考慮，把爆炸波對目標的破壞分成爆炸沖擊波會對目標的預先結構破壞和爆炸壓力波對有缺陷結構的加劇破壞兩個階段，更貼近于實際，在這種理論基礎上設計的防爆結構能有效阻隔爆炸沖擊波、更容易吸收爆炸壓力波，因此提高了結構的防爆能力，在同等造價條件下，相比現有的防爆結構，防爆性能要提高30％～50％。
【IPC分類】B32B15-20, B32B15-04
【公開號】CN104553143
【申請號】CN201510033552
【發明人】李向榮, 陳震, 王國輝, 羅建華, 干湧, 王成, 姚鎏, 鐘孟春, 張建偉
【申請人】中國人民解放軍裝甲兵工程學院, 大連理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月22日