多层复合吸能材料的制作方法

本实用新型属于材料领域，涉及一种吸能材料，具体地说，涉及一种用于防爆领域的轻型多层复合吸能材料。

背景技术：

近年来，随着武器装备技术的迅速发展，其破坏能力大幅度提高。如何有效防护建筑、运载工具等结构的完整性，将爆炸的破坏程度控在一定范围内，使爆炸所带来的破坏最小化是问题的关键。

防爆结构的研究主要集中在两个方面，一方面是基于材料本身的吸能特性，也就是利用材料变形吸收能量或提高材料损耗因子的原理研究新材料。如通过加装附加防爆装甲实现对军用运输车的防护。这种方法可以有效的提高车辆的安全性，但附加装甲会大幅度增加运输车辆自重，从而使车辆的机动性大幅度下降。对于运输飞行器来讲，过大的负重将严重影响飞行器的运输能力，并使飞行器的机动性大大下降。另一方面是利用反动量原理抵抗来袭爆炸波，设计复杂的结构。比如通过采用v形车底结构分散爆炸冲击能量，减小车身底部爆炸冲击压力，从而提高车辆的防地雷能力。目前，越来越多的现代防地雷车辆均采用类似的车底结构，然而由于军用车辆对野外通过性有较髙要求，车身底部安装v形防护结构往往导致离地间隙减小，从而使得车辆重心位置往往较高，造成车辆操作稳定性降低。

为了解决上述问题，发明专利201510211687.8公开了“一种防爆炸波复合装甲结构”，所述复合装甲结构从外向内依次包括超材料层、结合层、吸能缓冲层；其中，超材料层与吸能缓冲层通过结合层优化结合，其中超材料层为金属-非金属球体系统组成的微结构。每一个微结构是一个冲击振动吸收器，其内部共振器的共振频率与爆炸冲击波特定频率接近，使来袭冲击波从反射。因此，该发明所述的防爆结构一方面通过超材料层的微结构设计，可以阻挡爆炸波中超压峰值附近区域的冲击波；另一方面通过吸能缓冲层吸收爆炸压力波，从而提高了结构的防爆能力。然而，对于爆炸所带来的大变形，结构只能通过吸能缓冲层的压溃变形而达到吸能效果，因而该结构只能抵抗单次爆炸；一旦吸能层吸能破坏后，该结构的吸能作用将大幅度下降。此外，对于接触式爆炸以及高速撞击等高应变率的应力集中作用，超材料层极容易发生脆性破坏，从而使结构的防护性能大幅度下降。

作为目前常用的吸能材料，泡沫铝的吸能原理是通过泡沫空腔的破坏以达到防护效果；但当材料受集中荷载作用时，则发生集中变形而导致无法充分发挥吸能效果。超高分子量聚乙烯板是一种轻质高强材料，能够有效抵抗外界荷载造成的大变形，但其吸能性能较弱。现有吸能材料中多种材料复合时，多为刚性复合，在冲击荷载、爆炸荷载等高应变率荷载作用下易发生脆性破坏，防护结构分离，从而大幅度降低吸能材料的吸能效果。

此外，传统吸能管通过压溃变形，能够吸收一定的能量，但由于其本身吸能原理的限制，吸能管只能进行单次防护。高强度弹簧往通常作为车辆的减振装置，其吸能效果较差，一般用于提高车辆稳定性，而未见用于吸能。传统聚脲材料则多用于基材的防护领域，多用于防水、防腐以及车辆耐磨等领域。三者的应用领域差别较大，目前尚没有三者结合组成吸能或耗能结构的相关报道。

技术实现要素：

针对现有技术中吸能材料所存在的问题，本实用新型提供了多层复合吸能材料。所述多层复合吸能材料不仅实现了同等防护等级下的轻量化，而且克服了传统结构一次性防护的缺陷，大幅度提高了被防护结构的安全性。

本申请的技术方案：

多层复合吸能材料，依次由防护金属板i、高强聚脲涂层、超高分子量聚乙烯板、闭孔泡沫铝和能量处理层组成；相邻所述各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接。所述的粘弹性阻尼材料采用基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料。所述粘弹性阻尼材料在高应变率下表现为弹性，在荷载作用时不发生脆性破坏。此外，所述粘弹性阻尼材料的附着力强，在高速载荷作用下实现了在不同界面间不发生剥离，保证了结构的完整性；而且在各层间发生相对滑动时发生剪切耗能，吸收部分能量，提高了吸能效果。

所述能量处理层依次包括夹层金属板、粘弹性阻尼层i、高强度弹簧、薄壁吸能管、粘弹性阻尼层ii和防护金属板ii。所述粘弹性阻尼层i位于夹层金属板的内侧，所述粘弹性阻尼层ii位于防护金属板ii的内侧。所述高强度弹簧的一端固定在粘弹性阻尼层i中，所述高强度弹簧的另一端通过粘弹性阻尼层iii固定在薄壁吸能管中。所述薄壁吸能管远离高强度弹簧的一端固定在粘弹性阻尼层ii中，且薄壁吸能管内部的粘弹性阻尼层iii与外部的粘弹性阻尼层ii高度相等。耗能的本质是对外荷载能量的转化和吸收，本申请利用吸能管压溃吸能、高强度弹簧与粘弹性阻尼材料的能量转化、弹性形变和高损耗因子的特点，将三者结合，实现了将塑性变形、弹性变形以及阻尼耗能充分结合，从而实现了全新的分级耗能复合抗爆防护装甲。

其中，所述薄壁吸能管的高度h为能量处理层高度h的3/5；所述粘弹性阻尼层ii和粘弹性阻尼层iii的厚度d均大于吸能管高度h的2/3，小于吸能管高度h的7/8。所述高强度弹簧的高度不小于薄壁吸能管高度h的1.2倍，且不大于60mm。其中，所述的粘弹性阻尼层(包括粘弹性阻尼层i、粘弹性阻尼层ii和粘弹性阻尼层iii)与上述的粘弹性阻尼材料相同，均采用基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料；其中a组分为异氰酸酯，所述异氰酸酯的指数r值为0.8，b组分为氨基化合物。所述粘弹性阻尼层可以有效的降低车辆在正常行驶中的振动，起到减振作用，大大提高车辆的稳定性以及车内乘车人员的舒适性。

优选的是，所述粘弹性阻尼层i的厚度为10-15mm；所述薄壁吸能管的高度h为30-45mm；所述粘弹性阻尼层ii和粘弹性阻尼层iii的厚度为20-40mm。

其中，所述高强度弹簧的压并应力为750mpa-900mpa，所述薄壁吸能管的材质为铝合金。所述夹层金属板采用厚度为3.5-5mm的高强度抗爆合金，作为能量传递结构，受到外界激励时不但保证了复合结构的完整性，还将变形传递给下一层吸能结构。

其中，所述超高分子量聚乙烯板和闭孔泡沫铝通过互相匹配的圆弧-凹槽结构连接，组成二级吸能结构；所述二级吸能结构的高度与吸能管的高度h相同。所述超高分子量聚乙烯板圆弧结构的两侧起始位置均为二级吸能结构的1/3h处，顶点位置为二级吸能结构的2/3h处。所述结构在确保超高分子量聚乙烯板和闭孔泡沫铝紧密贴合的同时，通过圆弧-凹槽结构扩大其承压面积，从而在结构发生大变形时，泡沫铝能够充分压溃从而吸收能量。超高分子量聚乙烯板可以大幅度降低冲击波对钢结构的冲击能量，达到较好的防爆效果，且可以有效抵抗侵彻。泡沫铝比刚度大、比强度高、有良好的缓冲吸能性能。当外部荷载作用于泡沫铝层时，结构受荷载作用被压缩，泡沫铝层空腔被破坏，从而吸收大量能量。此外，超高分子量聚乙烯材料模量大、质量轻，可大幅度减轻复合材料的重量，提高防护装备的机动性灵活性。

其中，所述防护金属板i和防护金属板ii均采用厚度为5-12mm的高强度抗爆合金。所述聚脲涂层通过喷涂工艺形成于防护金属板i的内侧，聚脲涂层的厚度为6mm。所述聚脲涂层具有一定的应变率敏感性，高应变率作用时，其具有较长的弹性阶段，弹性模量可达180mpa～260mpa。所述的聚脲涂层为a、b两组分反应而成，其中a组分为异氰酸酯预聚物，b组分由端氨基聚醚、胺类扩链剂和助剂组成。所述聚脲涂层具有较高的抗拉强度以及断裂伸长率，因而具有承受大变形的能力，可以抵抗高应变率荷载作用时所带来的撕裂破坏，以确保结构的完整性。且高强聚脲涂层在高应变率作用下弹性模量极高，当防护金属板i破坏、外界破片以及发生弹体侵彻时，可以将外界破片弹开或降低破片速度，大大减少破片等二次伤害。防护金属板ii为所述抗爆复合装甲背爆面的基板，与防护金属板i采用相同材料，作为防护的最后一层结构，在结构受到外界激励时保证结构的完整性。

如上所述的多层复合吸能材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)准备防护金属板i，首先在金属板i内侧进行打磨处理，喷涂底漆；待底漆表干后喷涂一定厚度的高强聚脲弹性体，形成高强聚脲涂层；将超高分子量聚乙烯板、泡沫铝与聚脲层复合，相邻两层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接，常温固定养护24h；结构稳定后将粘弹性阻尼材料浇注于泡沫铝上方，此时复合夹层金属板，常温养护12h；

(b)准备防护金属板ii，在金属板内侧表面打磨后，采用少量粘弹性阻尼材料将金属薄壁吸能管固定于防护金属板ii表面；待粘弹性阻尼材料表干后，浇注一定厚度的粘弹性阻尼材料于金属薄壁吸能管的四周，即为粘弹性阻尼层ii；将高强度弹簧置于金属薄壁吸能管的中心，并向金属薄壁吸能管中浇注与外部的粘弹性阻尼层ii等高的粘弹性阻尼材料，得到粘弹性阻尼层iii；

(c)将固定有高强度弹簧的防护金属板ii倒扣；向夹层金属板上浇注一定厚度的粘弹性阻尼材料，即为粘弹性阻尼层i；迅速将高强度弹簧浸没其中，待粘弹性阻尼层i表干；养护24h后，即可得到多层复合吸能材料。吸能耗能原理：

迎爆面的防护金属板i和高强聚脲涂层形成第一级吸能结构。当外界荷载作用在防护金属板i时，外界荷载通过金属板的大变形将能量消耗；高强聚脲涂层一方面具有较高的损耗因子，可将机械能转化为内能，另一方面由于高应变率作用，可以有效抑制防护金属板1的大变形，从而保证了结构的完整性。在结构发生大变形时，不同层间发生弯曲变形而引起相对滑移，使层间的粘弹性阻尼材料发生剪切变形，从而将能量转化为内能消耗掉。当荷载继续作用至二级吸能结构时，首先作用于超高分子量聚乙烯板，荷载被进一步消耗、扩散，此时泡沫铝层受荷载作用被压缩，通过变形将机械能消耗；剩余能量则最终传递至夹层金属板。粘弹性阻尼层iii与高强度弹簧构成第三级耗能结构，在外界爆炸或冲击波作用时，夹层金属板变形带动高强度弹簧与粘弹性阻尼层iii发生压缩变形，将能量转化为弹性势能，在结构恢复变形的过程中将能量消耗。当夹层金属板发生大变形至薄壁吸能管时，分级耗能复合抗爆装甲进入第四级耗能阶段，此时金属薄壁吸能管未浇注段发生压溃变形，进而消耗能量。当夹层金属板在外界荷载作用下继续向上变形，达到粘弹性阻尼层ii时，结构进入第五级耗能阶段。当外界荷载作用时，高强度弹簧、金属薄壁吸能管以及粘弹性阻尼层同时发生压缩变形；此时由于粘弹性阻尼材料的高弹性模量特性，金属薄壁压溃耗能也随之增大，而粘弹性阻尼层ii由于其本身的高损耗因子特性，将外界的机械能转化为内能消耗。背爆面的防护金属板ii与迎爆面的防护金属板i采用相同材料，作为防护的最后一层结构，在结构受到外界激励时保证结构的完整性。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型所述的多层复合吸能材料，针对外界荷载对迎爆面的防护金属板i的作用变形进行五级分级耗能，极大的提高了防护效率。当结构变形未达到四级耗能阶段时，结构可以反复使用，且防护性能基本保持一致，从而克服了传统结构一次性防护的缺点，提高利用率。

(2)本实用新型所述的二级吸能结构中，通过超高分子量聚乙烯板，将集中荷载分散，从而克服了传统泡沫铝局部因受压而吸能效率低的弊端，且可以有效抵抗侵彻，大幅度提高材料的吸能效率；此外，超高分子量聚乙烯板和泡沫铝层之间采用弧形界面，扩大了结构的吸能面积，提高泡沫铝的吸能效果，且圆弧形界面在结构弯曲变形时结构相对滑移量较大，可以充分发挥粘弹性阻尼材料剪切耗能的特点，提高吸能效率。

(3)本实用新型所述的多层复合吸能材料，可根据防护对象及防护级别的需求，灵活调整防护装甲的尺寸与位置，不受防护位置的限制，且金属板易于施工，可制成装配式结构，安装方便。

(4)与现有的吸能材料相比，本实用新型所述的多层复合吸能材料通过结构设计实现了轻量化，且粘弹性阻尼层和抗爆聚脲涂层的氧指数为28％～30％，均为难燃材料，因此具有良好的阻燃性能。

附图说明

附图1为本申请所述的多层复合吸能材料的结构示意图；其中，1为防护金属板i，2为聚脲涂层，3为超高分子量聚乙烯板，4为闭孔泡沫铝，5为夹层金属板，6为粘弹性阻尼层i，7为薄壁吸能管，8为高强度弹簧，9为粘弹性阻尼层ii，10为粘弹性阻尼层iii，11为防护金属板ii。

附图2为二级吸能结构的纵向剖面结构示意图。

附图3为粘弹性阻尼材料不同频率下损耗模量与温度曲线；其中，曲线a-e分别代表1hz，5hz，10hz，25hz，50hz。

附图4为粘弹性阻尼材料不同频率下储能模量与温度曲线；其中，曲线a-e分别代表1hz，5hz，10hz，25hz，50hz。

附图5为粘弹性阻尼材料模量的峰值与频率的关系；其中，a为损耗模量；b为储能模量。

附图6为粘弹性阻尼材料不同频率下损耗因子随温度变化曲线；其中，曲线a-e分别代表1hz，5hz，10hz，25hz，50hz。

附图7为不同应变率作用下聚脲弹性体的应力应变曲线。

附图8为高强聚脲弹性体的tg-dtg曲线。

附图9为粘弹性阻尼材料18d附着力的测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的说明。

实施例1：粘弹性阻尼材料的阻尼性能分析

为测试本申请采用的粘弹性阻尼材料的阻尼性能，采用美国ta公司生产的dma-q800动态机械分析仪测试其动态力学性能，得到材料的损耗模量(图3)、储能模量(图4)以及损耗因子曲线(图6)

由图3可知，当频率一定时，粘弹阻尼材料的损耗模量和储能模量在3个不同的温域内呈现不同规律。-80～-40℃是玻璃态，分子链段处于冻结状态，损耗模量较储能模量小，但随着温度的升高缓慢增长，材料储能模量较高并且随着温度的升高而降低；这一阶段对应材料高应变率作用阶段，力学性能表现为高弹性模量。-40～20℃是玻璃化转变区，在该区域内材料的损耗模量是先上升后下降。在-30～-20℃时取得损耗模量的峰值，储能模量急剧下降。20～100℃是橡胶态，在此区域内材料的损耗模量和储能模量均缓慢降低至趋于平稳。

本申请还研究了频率对材料模量峰值的影响及峰值对应的温度变化，如图5所示。由曲线变化趋势可以看出，随着频率的升高，材料损耗模量峰值下降并趋于平稳，材料储能模量峰值升高。当频率由1hz升高至50hz时，损耗模量从197.9mpa增长到175.7mpa，下降幅度为22.2mpa，下降了11.2％；而储能模量峰值由1443.2mpa变为1522.5mpa，增长幅度为79.3mpa，增长了5.49％。可以看出，频率对损耗模量峰值影响更为明显，但从图中可看出，随频率升高，材料损耗模量逐渐趋于一个定值。

由图6可以看到，当频率一定时，随温度的升高，材料的损耗因子大致呈现先快速增长后慢速迅速下降的趋势，在某一温域内达到峰值。在-80℃～0℃温度范围内，随着温度的升高，材料的损耗因子增长迅速，在-20℃～20℃温域内达到峰值。

通过对粘弹性阻尼材料的动态力学性能测试，对损耗模量、储能模量和损耗因子的分析验证，得出：粘弹性阻尼材料在高应变率作用时，材料具有较高的损耗因子，可以有效耗散外界机械能，转化为内能，能够有效提高防护结构的抗爆性能。

实施例2：高强聚脲弹性体的性能分析

(1)高强聚脲弹性体应变率敏感性分析

为验证聚脲弹性体具有高应变率敏感性，采用万能力学试验机对聚脲涂层进行力学性能测试，得到材料的应力应变曲线如图7所示。

从材料的应力应变曲线可以看出，在低应变率作用下，聚脲在不同数量级的应变率下其强度发生明显变化；随应变率升高，其弹性阶段逐渐变长，且弹性模量也发生一定的变化，二应变也随之减小。但由于聚脲弹性体具有较高的断裂伸长率，其变形仍满足实际需要。通过由wlf方程可知，在高应变率作用下，聚脲弹性体的力学强度将进一步提高，且高于现有测量数值，故聚脲弹性体满足实际变形需要，且强度较高。

(2)高强聚脲弹性体热稳定性分析

将高强聚脲弹性体进行tg测试，试样的热失重行为在热重分析仪中进行。取6.44mg样品放于氧化铝坩埚中，在氮气环境下，以10℃/min升温速率升至750℃，并在该温度保温1h。测试实验设备是美国ta-sdtq600热综合分析仪。

采用热重对粘弹性阻尼材料进行热性能测试，其热重曲线如图8所示。通过热重曲线可以看出，在实验温度范围内，起始热降解温度为231.87℃。这一参数可用以评价其热稳定性。材料残余为起始质量一半时和残余质量趋于稳定时的温度分别为376.5℃和512.6℃，材料质量的损失是由于材料的热解反应，其最终残留质量大约为原材料质量的7.7％，说明材料的热稳定性能良好。

实施例3：

依据astmd4541-09拉拔法，采用positestat-a液压附着力检测仪，对粘弹性阻尼材料的附着力进行测试。测试试样为浇注现场取样，常温养护3天后进行附着力试验。涂层养护结束后，使用ergo1690丙烯酸结构胶粘贴直径为20mm的拉脱锭，在钢板表面均匀粘贴四个拉脱锭，拉脱锭之间相距5cm，常温养护24h。养护结束后，使用切割刀环切拉脱锭周围涂层，使用positestat-a液压附着力检测仪测试涂层附着力。重复上述实验三次，其算数平均值即为粘弹性阻尼材料与钢板之间的附着力。

如图9所示，通过对粘弹性阻尼材料在钢板表面18d的附着力测试可以发现：在9d～18d之间，随着养护时间的增加，附着力上升效果减缓，基本趋于稳定，材料在钢板表面的附着力从9.84mpa上升至10.05mpa。说明该材料的附着力完全可以满足施工及防护要求。

实施例4：

多层复合吸能材料，依次由防护金属板i1、高强聚脲涂层2、超高分子量聚乙烯板3、闭孔泡沫铝4和能量处理层组成；相邻所述各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接。所述的粘弹性阻尼材料采用商业途径购买的基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料；其中a组分为异氰酸酯，所述异氰酸酯的指数r值为0.8，b组分为氨基化合物。

所述能量处理层依次包括夹层金属板5、粘弹性阻尼层i6、高强度弹簧8、薄壁吸能管7、粘弹性阻尼层ii9和防护金属板ii11。所述粘弹性阻尼层i位于夹层金属板5的内侧，所述粘弹性阻尼层ii位于防护金属板ii的内侧。所述高强度弹簧8的一端固定在粘弹性阻尼层i6中，所述高强度弹簧8的另一端通过粘弹性阻尼层iii10固定在薄壁吸能管7中。所述薄壁吸能管7远离高强度弹簧8的一端固定在粘弹性阻尼层ii9中，且薄壁吸能管7内部的粘弹性阻尼层iii10与外部的粘弹性阻尼层ii9高度相等。

其中，所述的粘弹性阻尼层(粘弹性阻尼层i、粘弹性阻尼层ii及粘弹性阻尼层iii)与上述的粘弹性阻尼材料相同，均采用基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料。所述粘弹性阻尼层i6的厚度为10mm，所述粘弹性阻尼层ii9和粘弹性阻尼层iii10的厚度为21mm。所述薄壁吸能管7的材质为铝合金；所述薄壁吸能管7的高度h为32mm。所述高强度弹簧8的压并应力为750mpa，所述高强度弹簧8的高度为44mm。所述夹层金属板5采用厚度为4mm的高强度抗爆合金，作为能量传递结构，受到外界激励时不但保证了复合结构的完整性，还将变形传递给下一层吸能结构。

其中，所述超高分子量聚乙烯板3和闭孔泡沫铝4通过互相匹配的圆弧-凹槽结构连接，组成二级吸能结构；所述二级吸能结构的高度与吸能管的高度h相同。所述超高分子量聚乙烯板3圆弧结构的两侧起始位置均为二级吸能结构的1/3h处，顶点位置为二级吸能结构的2/3h处。

其中，所述防护金属板i1和防护金属板ii11均采用厚度为6mm的高强度抗爆合金。所述聚脲涂层2通过喷涂工艺形成于防护金属板i1的内侧，聚脲涂层的厚度为6mm。所述聚脲涂层具有一定的应变率敏感性，高应变率作用时，其具有较长的弹性阶段，弹性模量可达180mpa。所述的聚脲涂层2为商业途径购买的，由a、b两组分反应而成，其中a组分为异氰酸酯预聚物，b组分由端氨基聚醚、胺类扩链剂和助剂组成。防护金属板ii为所述抗爆复合装甲背爆面的基板，与防护金属板i采用相同材料，作为防护的最后一层结构，在结构受到外界激励时保证结构的完整性。

实施例5：

与实施例3不同的是，所述粘弹性阻尼层i6的厚度为12mm，所述粘弹性阻尼层ii9和粘弹性阻尼层iii10的厚度为30mm。所述薄壁吸能管7的高度h为35mm。所述高强度弹簧8的压并应力为800mpa，所述高强度弹簧8的高度为42mm。所述夹层金属板5采用厚度为3.5mm的高强度抗爆合金。所述防护金属板i1和防护金属板ii11均采用厚度为8mm的高强度抗爆合金。所述聚脲涂层2通过喷涂工艺形成于防护金属板i1的内侧，所述聚脲涂层的弹性模量可达220mpa。

实施例6：

与实施例3不同的是，所述粘弹性阻尼层i6的厚度为15mm，所述粘弹性阻尼层ii9和粘弹性阻尼层iii10的厚度为39mm。所述薄壁吸能管7的高度h为45mm。所述高强度弹簧8的压并应力为890mpa，所述高强度弹簧8的高度为56mm。所述夹层金属板5采用厚度为5mm的高强度抗爆合金。所述防护金属板i1和防护金属板ii11均采用厚度为12mm的高强度抗爆合金。所述聚脲涂层2通过喷涂工艺形成于防护金属板i1的内侧，所述聚脲涂层的弹性模量可达260mpa。