一种用于防护装备的夹层装置

本发明属于缓冲阻尼，尤其涉及一种具有高缓冲性能可用于防护装备的夹层装置。

背景技术：

1、高速冲击带来的巨大冲击荷载对人员安全、设备设施安全造成了极大威胁。常见的高速冲击有高空坠落、交通事故等。因此，研究一种抗冲击性能更好的高缓冲性能夹层装置是十分有必要的。

2、高缓冲性能夹层装置是用于冲击防护的，常设置于被保护目标表面或防护装备内部，主要是防止被保护目标在受到剧烈撞击时受到严重损伤(创伤)的。剪切增稠液是一种智能材料，它在外加剪切力的作用下会产生明显的剪切增稠效应，可以通过在类固体与液体之间的瞬间可逆转换而吸收大量外界能量。它是由微米级颗粒、载液和其他复杂的混合体等和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体。在常态下，这种材料柔软而具有弹性，一旦遇到高速的冲撞或挤压，分子间立刻相互锁定，材料变得坚硬从而消化外力。当外力消失后材料会回复到它最初的柔性。阻尼器是用于在物体运动时提供阻力，耗减运动能量，保证受到冲击而产生的振动快速衰减的装置。

3、在使用过程中，现有技术至少存在如下问题：1.现有普通缓冲夹层在受到剧烈冲击时消能减震效果仍不够理想，特别是难以阻止冲击能量的传导。在受到剧烈冲击时，被保护目标仍会受到不可避免的伤害。2.现有普通缓冲夹层在冲击结束后的可逆性不够理想，难以在短时间内提供二次防护或后期继续使用。3.现有的内部填充stf的缓冲夹层防护性能提升有限，这是因为其结构设计上存在限制。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，为了解决现有技术中存在的缺点，本发明的目的是提供一种具有高缓冲性能可用于防护装备的夹层装置,是将stf通过剪切增稠吸收能量的特性和阻尼器可以产生阻尼力抵消冲击能量的特点相结合，具有结构可靠、防护性能好、稳定性好、响应速度快、可逆性好等优点，能在被保护目标受到冲击时有效地消能减震。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明一种用于防护装备的夹层装置，包括封装层、多个微型阻尼器及剪切增稠液，所述封装层为密封的中空结构，其间并列设置多个微型阻尼器，形成夹层结构；所述剪切增稠液填充于夹层结构内部。

4、进一步地，所述的封装层构成空心长方体结构，两端均设置密封塞密封。

5、进一步地，所述的封装层的材料为柔性材料。

6、进一步地，所述的柔性材料为橡胶、硅胶或树脂。

7、进一步地，所述的微型阻尼器为单活塞杆结构，由活塞、弹簧和腔体组成，所述的活塞连接端一侧固定在封装层内上表面，运动端置于腔体内；所述的腔体一端固定在封装层的内下表面，另一端通过弹簧连接所述封装层内上表面，所述活塞置于腔体内，在腔体内填充有剪切增稠液。

8、进一步地，所述的活塞为中空结构，即：封装层与活塞间形成的密封空间，其内填充有剪切增稠液。

9、进一步地，所述的活塞和腔体内壁宽度w为阻尼器整体长度l的2％-8％，并在0.5mm-2mm之间。

10、进一步地，所述的密封塞、活塞、弹簧和腔体的材料为硬材料。

11、进一步地，所述的硬材料为轻金属。

12、进一步地，所述的轻金属为铝合金或镁合金。

13、剪切增稠液(stf)是一种性能优良的智能材料，在达到临界剪切速率时会发生剪切增稠行为。stf在稳态剪切时表现出的高储能和损耗模量表明其具有良好的能量吸收特性，可用于消能、减震等领域。剪切增稠液阻尼器通过改变加载频率，加载幅度和液隙，可以实现可控的输出阻尼力，在消能、减震作用上比直接利用stf更精确、稳定、高效。当荷载撤销时，剪切增稠液阻尼器会恢复原状，具有可逆性。

14、本发明的有益效果为：

15、1.与传统缓冲夹层相比，本发明的技术方案综合利用了stf的剪切增稠特性和阻尼器的精确稳定的特性，提升了夹层装置的消能减震效果。其原理是利用在夹层内部填充的stf和排列在夹层内部的stf阻尼器来吸收冲击能量。stf在受到一定程度的冲击时会达到临界剪切速率，发生剪切增稠，自身粘度快速上升，抵抗变形并吸收能量；stf阻尼器在承受外部冲击时，活塞会产生相对速度为v的运动挤压阻尼器腔体内的stf，使其被挤压通过活塞和腔体内壁之间宽w的间隙。当stf的剪切速率y(y＝v/w)达到临界剪切速率时会实现剪切增稠，大幅提升stf阻尼器产生的阻尼力。

16、2.本发明中stf被填充在封装层与密封塞形成的密封的中空结构中、微型阻尼器腔体中和微型阻尼器活塞的中空结构中。微型stf阻尼器排列在封装层形成密封的中空结构内，并固定于封装层内表面。当封装层的任何一个方向受到外部冲击时，集中在一点处的冲击能量会被有效分散在夹层结构内的stf和微型stf阻尼器上。stf的瞬时剪切增稠会吸收冲击能量；stf阻尼器会产生与冲击力方向相反的阻尼力，抵消大量冲击能量，减小冲击能量向被防护目标的传递。

17、2.传统的缓冲夹层只能通过在制造时选用不同垫层材料来实现对防护性能的控制。采用本发明的技术方案，可以通过控制封装层材料、stf的剪切增稠性能、微型stf阻尼器的参数设计、所用弹簧的性能等多种方法对防护性能实现更精确的控制。此外，在一些优选特定材料为垫层材料的环境中，所述新型高缓冲性能夹层装置控制防护性能也更方便。

18、3.本发明的技术方案使用的stf是一种可以在固体和液体之间进行快速可逆转化的智能材料。在受到冲击的瞬间，本发明所述的高缓冲性能夹层装置就会发挥消能减震作用，响应速度快。在撤销荷载后，stf可以恢复到原来的状态，便于短时间的二次防护和后续使用。

19、4.与仅填充stf的夹层相比，本发明创新使用了微型stf阻尼器的形式将剪切增稠效应用于缓冲夹层装置。采用本发明的技术方案，缓冲夹层装置上集中在一点处的冲击能量被分散到夹层结构内部的stf和各个微型stf阻尼器同时消耗，剪切增稠效应和阻尼力输出相叠加，消能减震效果比直接使用stf吸收冲击力的夹层更高、更稳定。采用本发明的技术方案，可以通过控制stf阻尼器的参数实现对于缓冲夹层装置的防护性能的控制，比直接使用stf作为保护层的夹层更精确。

技术特征：

1.一种用于防护装备的夹层装置，其特征在于：包括封装层(1)、多个微型阻尼器(2)及剪切增稠液(3)，所述封装层为密封的中空结构，其间并列设置多个微型阻尼器，形成夹层结构；所述剪切增稠液填充于夹层结构内部。

2.根据权利要求1所述的夹层装置，其特征在于：所述的封装层构成空心长方体结构，两端均设置密封塞密封。

3.根据权利要求1所述的夹层装置，其特征在于：所述的封装层的材料为柔性材料。

4.根据权利要求3所述的夹层装置，其特征在于：所述的柔性材料为橡胶、硅胶或树脂。

5.根据权利要求1所述的夹层装置，其特征在于：所述的微型阻尼器为单活塞杆结构，由活塞(5)、弹簧(6)和腔体(7)组成，所述的活塞连接端一侧固定在封装层内上表面，运动端置于腔体内；所述的腔体一端固定在封装层的内下表面，另一端通过弹簧连接所述封装层内上表面，所述活塞置于腔体内，在腔体内填充有剪切增稠液(3)。

6.根据权利要求5所述的夹层装置，其特征在于：所述的活塞为中空结构，即：封装层与活塞间形成的密封空间，其内填充有剪切增稠液(3)。

7.根据权利要求5所述的夹层装置，其特征在于：所述的活塞和腔体内壁宽度w为阻尼器整体长度l的2％-8％，并在0.5mm-2mm之间。

8.根据权利要求1和权利要求5所述的夹层装置，其特征在于：所述的密封塞、活塞、弹簧和腔体的材料为硬材料。

9.根据权利要求8所述的夹层装置，其特征在于：所述的硬材料为轻金属。

10.根据权利要求9所述的夹层装置，其特征在于：所述的轻金属为铝合金或镁合金。

技术总结
本发明是一种用于防护装备的夹层装置，属于缓冲阻尼技术领域。包括封装层、多个微型阻尼器、剪切增稠液及密封塞，封装层和密封塞形成密封的中空结构，其间并列固定多个微型阻尼器，形成夹层结构。剪切增稠液填充于夹层结构内部。本发明的封装层所受到的外部冲击能量会分散传导到夹层结构中的STF和多个微型阻尼器上。夹层结构中的STF发生剪切增稠吸收冲击能量；阻尼器腔体内的STF会发生剪切增稠，大幅增强STF阻尼器产生的阻尼力，消耗大量冲击能量。

技术研发人员：魏明海,游澳平,颜扬祎
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15