一种防爆炸波复合装甲结构的制作方法
【专利说明】一种防爆炸波复合装甲结构
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技术领域
[0002]本发明涉及一种防爆复合装甲结构，特别是采用了超材料微结构单元，属于防护领域。
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【背景技术】
[0004]以往的防爆结构的研宄主要在两个方面，一方面是基于材料本身对能量吸收的显著作用，也就是利用材料变形吸收能量的原理研宄新材料；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。这些防爆结构的设计都考虑到了高能炸药爆炸后产生的爆炸波能量极大、对目标破坏力极强，但都是将爆炸产生的爆炸波作为整体来考虑，用波阵面超压大小衡量其能量大小及其对目标的破坏能力。这样的防爆结构要么防爆性能不是很好，要么很厚、很重，例如车辆的一些复合装甲、用于防爆建筑的钢结构墙壁。
[0005]由于各种武器平台经常利用爆炸波毁伤/破坏目标，，而且目前制作使用高能炸药的弹药非常容易，例如，一些局部战争中的路边炸弹、恐怖袭击使用的简易爆炸装置，因此，对防爆炸冲击波材料与结构提出了很高的要求。
[0006]经过研宄发现，爆炸后产生的爆炸波实际上可以分为两部分，如图1所示，I区是超压幅值最大区域，可以称为爆炸冲击波(亦简称冲击波，shock wave)；II区是以动量为主的区域，可以称为爆炸压力波(亦简称压力波，pressure wave)。为此，爆炸波对目标的破坏可以分为两个阶段，第一阶段是冲击波对目标的冲击效应导致目标产生预先的结构破坏，第二阶段是压力波对已产生结构预破坏的目标产生加剧破坏。基于此种爆炸波的两阶段破坏理论，设计一种基于超材料层的防爆复合结构。超材料层是由多个具有负等效质量或负等效模量的微结构组成，每一个微结构是一个冲击振动吸收器。，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，从而避免了冲击波对目标的预结构破坏。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决现有防爆技术要么采用大变形吸能材料、要么使用反动量原理的复杂结构，导致防爆结构一般很厚、很重或者造价昂贵的问题，提供一种基于超材料的新型防爆复合结构。
[0009]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0010]一种基于超材料的新型防爆复合结构，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结合，其中超材料层为金属-非金属球体系统组成的微结构，所述金属-非金属球体系统组成的微结构包括:金属球体、弹性材料、基体材料；基体材料把由弹性材料包裹着的金属球体嵌入到基体材料中。
[0011]作为优选，弹性材料为球体，其中弹性材料与金属球体为同圆心球；基体材料为正方体，其中正方体的中心位于弹性材料5的圆心位置。
[0012]作为优选，所述弹性材料是橡胶材料；所述基体材料是环氧树脂材料，金属球体为铜或铁材料。
[0013]作为优选，其中金属球体的直径为R1，弹性材料的直径是R2，基体材料的正方体的边长为L，上述三种尺寸的最佳关系式如下:
R2/L=a*Ln(Rl/R2)+b* (R1/R2) +c ；
其中 Ln 是对数函数，a, b, c 为系数，0.02〈a〈0.03，0.07〈b〈0.08，0.75〈c〈0.84 ；
其中 4.5mm<Rl<9mm ；6.0mm<R2<10.5mm -J.0mm<L<ll.5mm ；
0.75<R1/R2<0.86 ；0.79<R2/L<0.91。
[0014]作为优选，a=0.025，b=0.074，c=0.8。
[0015]作为优选，随着R1/R2的增加，a不断减小，b、c不断增加。
[0016]采取本发明可以取得如下的技术效果:
1、对比已有技术，本发明的优点在于:本发明将高能炸药产生的爆炸波分为超压幅值最大的爆炸冲击波和后续以动能/冲量为主的爆炸压力波两部分来考虑，把爆炸波对目标的破坏分成爆炸冲击波会对目标的预先结构破坏和爆炸压力波对有缺陷结构的加剧破坏两个阶段，更贴近于实际，在这种理论基础上设计的防爆结构能有效阻隔爆炸冲击波、更容易吸收爆炸压力波，因此提高了结构的防爆能力，在同等造价条件下，相比现有的防爆结构，防爆性能要提高30%~50%。
[0017]2、如果与现有防爆结构具有相当防爆能力时，可以更轻更薄，相同防爆能力条件下，质量轻约30%，能使武器装备的机动性能大大提高。
[0018]3、设计的新型防爆复合结构可以应用于多种武器装备的防护，例如主战坦克、轻型装甲车辆车体防护，尤其是防地雷反伏击车的底部防护结构，还有飞机等，大大提高这些武器装备在战场上的生存能力；应用于防暴警车，使之免遭恐怖袭击中炸弹的破坏。也可应用于重要建筑物的墙体结构，例如军事指挥中心、核电设施等，防止重要目标在战争中、恐怖袭击中受到弹药攻击。
[0019]4、本发明通过涉及最优化的弹性材料的尺寸，可以使得防爆效果达到最优。
【附图说明】
[0020]图1高能炸药产生的爆炸波随时间衰减特性；
图2是实施例1的基于超材料的三层新型防爆复合结构；
图3是实施例2的基于超材料的三层新型防爆复合结构；
图4是实施例1的微结构形式为弹簧质量系统的超材料结构；
图5实施例2的微结构形式为金属-非金属球体质量系统的超材料结构。
[0021]其中，I一超材料层、2—结合层、3—吸能缓冲层、4一金属球体、5—弹性材料、6—基体材料、7—弹性板。
[0022]
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
[0024]实施例1
图2展示了本发明实施例1的结构示意图。如图1所示，一种基于超材料的新型防爆复合结构，从外向内依次包括超材料层1、结合层2、吸能缓冲层3。其中超材料层I与吸能缓冲层3通过结合层2结合。其中超材料层I为金属-非金属球体系统组成的微结构。如图5所示，所述的多个微结构组合在一起形成超材料层。
[0025]作为优选，结合层2为水溶性酚醛。所述吸能缓冲层(3)包括凯夫拉高吸能率材料、陶瓷脆性材料，或者蜂窝材料、泡沫铝材料加工成的实心或空心状结构。吸能缓冲层的凯夫拉的物理参数:强度为3.6 GPa，伸长模量为131 GPa，断裂伸长率为2.8 %，密度为每立方厘米1.44克。
[0026]所示的微结构如5所示。所述金属-非金属球体系统组成的微结构包括:金属球体4、弹性材料5、基体材料6 ;金属球体4充当质量块；弹性材料5，起到弹簧的作用；基体材料6把由弹性材料5包裹着的金属球体4嵌入到基体材料6中。
[0027]其中作为优选，金属球体为铜或铁等金属材料；铜的物理参数:密度为8.9g每立方厘米，屈服极限是200MPa。
[0028]所述弹性材料5为橡胶材料，优选为聚丙烯，聚丙烯的物理参数:密度为0.85?0.91 g每立方厘米。
[0029]所述基体材料6为环氧树脂材料，优选为E-51环氧树脂，物理参数:1.18克/立方厘米弹性模量大约lGPa，泊松比为0.38。
[0030]超材料层1、结合层2、吸能缓冲层3的厚度分别l_2cm，0.05-0.15cm，1.5-2.5cm。
[0031]优选分别是1.5cm，0.08cm，2cm。
[0032]作为优选，弹性材料5为球体，其中弹性材料5与金属球体为同圆心球；基体材料6为正方体，其中正方体的中心位于弹性材料5的圆心位置。
[0033]将由超材料层1、结合层2和吸能缓冲层3组成的新型防爆复合结构在爆炸洞内进行高能炸药作用下防护效应及其后效试验，利用压力传感器测试复合结构周围的超压值，发现复合结构后