一种基于超材料的新型防爆复合结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于超材料的新型防爆复合结构，属于防护领域。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]由于高能炸药爆炸后产生的爆炸冲击波对目标的破坏能力非常强，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。
[0004]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新型防爆复合结构。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。基于牛顿第二定律F = m*a，当质量m为负时，加速度a便与外力F的方向完全相反，因此，微结构的主要属性就是具有负等效质量，使来袭冲击波从另外的方向弹回去，从而避免了冲击波对目标的结构破坏。
【发明内容】
[0005]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。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]一种基于超材料的新型防爆复合结构，第一层为超材料层、第二层为结合层、第三层为吸能缓冲层。
[0008]超材料层与吸能缓冲层通过结合层结合。
[0009]超材料层为具有负等效质量或负等效模量、能改变爆炸冲击波传播方向的多个微结构排列而成，能改变第一阶段爆炸冲击波传播方向，阻止冲击波使之不能进入结构内部或极大减弱进入结构内部的冲击波，以至于目标结构不产生预破坏效应。
[0010]微结构的形式包括弹簧质量系统、金属-非金属球体系统；
[0011]所述金属-非金属球体系统形式的微结构包括:金属球体、弹性材料、基体材料；金属球体充当质量块；弹性材料，起到弹簧的作用；基体材料把由弹性材料包裹着的金属球体嵌入到基体中；
[0012]所述弹性材料包括硅橡胶材料；
[0013]所述基体材料包括环氧树脂材料
[0014]结合层为更好控制爆炸压力波的入射、反射和折射，能有机结合软、硬层，使防爆性能得到优化的粘结剂类材料组成的结构。
[0015]所述粘结剂类材料包括半树脂粘结剂产品、全树脂粘结剂产品。
[0016]吸能缓冲层为依靠材料自身大变形来吸收高能炸药爆炸后产生的压力波能量的结构层，能吸收第二阶段爆炸压力波的能量，和传统结构一样主要依靠材料自身的大变形吸收能量，但由于具有极强破坏作用的冲击波已经被阻隔，压力波的破坏力要比冲击波的破坏小得多。
[0017]吸能缓冲层为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。
[0018]有益效果
[0019]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 %。
[0020]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，质量轻约30%，能使武器装备的机动性能大大提尚。
[0021]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。
【附图说明】
[0022]图1高能炸药产生的爆炸波随时间衰减特性；
[0023]图2基于超材料的三层新型防爆复合结构；
[0024]图3微结构形式为弹簧质量系统的超材料结构；
[0025]图4微结构形式为金属-非金属球体质量系统的超材料结构。
[0026]其中，1-超材料层、2-结合层、3-吸能缓冲层、4-金属球体、5-弹性材料、6_基体材料。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
[0028]实施例1
[0029]一种基于超材料的新型防爆复合结构，超材料层1、结合层2、吸能缓冲层3。
[0030]超材料层I与吸能缓冲层3通过结合层2结合。
[0031]超材料层I为金属-非金属球体系统组成的微结构。
[0032]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嵌入到基体中。
[0033]所述弹性材料5为橡胶材料；
[0034]所述基体材料6为环氧树脂材料。
[0035]结合层2为水溶性酚醛。
[0036]吸能缓冲层3为蜂窝铝。
[0037]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，发现复合结构后面的超压不至于使有生力量死亡，起到了很好的防爆效果。与相当价格、同样厚度的装甲钢相比，新型防爆复合结构对高能炸药爆炸效应的防护能力提高了 40%左右
[0038]由多个金属-非金属球体系统组成的微结构排列而组成的超材料层1，能改变第一阶段爆炸冲击波传播方向，阻止冲击波使之不能进入结构内部或极大减弱进入结构内部的冲击波，以至于目标结构不产生预破坏效应。利用高速摄像测试与分析技术，发现微结构形式为弹簧质量系统的超材料层对TNT、60TNT/40RDX这2种炸药产生的爆炸冲击波都能起到有效的阻隔，明显看到冲击波方向改变。
[0039]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:第一层为超材料层(1)、第二层为结合层(2)、第三层为吸能缓冲层(3); 超材料层(I)与吸能缓冲层(3)通过结合层(2)结合； 所述超材料层(I)为具有负等效质量或负等效模量、能改变爆炸冲击波传播方向的多个微结构排列而成，能改变第一阶段爆炸冲击波传播方向，阻止冲击波使之不能进入结构内部或极大减弱进入结构内部的冲击波，以至于目标结构不产生预破坏效应； 所述结合层(2)为更好控制爆炸压力波的入射、反射和折射，能有机结合软、硬层，使防爆性能得到优化的粘结剂类材料组成的结构； 所述吸能缓冲层(3)为依靠材料自身大变形来吸收高能炸药爆炸后产生的压力波能量的结构层，能吸收第二阶段爆炸压力波的能量，和传统结构一样主要依靠材料自身的大变形吸收能量，但由于具有极强破坏作用的冲击波已经被阻隔，压力波的破坏力要比冲击波的破坏小得多。
2.如权利要求1所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:所述微结构的形式包括弹簧质量系统、金属-非金属球体系统。
3.如权利要求1或2所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:所述金属-非金属球体系统形式的微结构包括:金属球体(4)、弹性材料(5)、基体材料(6);金属球体⑷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(4)体嵌入到基体中。
4.如权利要求3所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:所述弹性材料(5)包括硅、橡胶材料；所述基体材料(6)包括环氧树脂材料。
5.如权利要求1所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:所述粘结剂类材料包括半树脂粘结剂产品、全树脂粘结剂产品。
6.如权利要求1或5所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于:所述粘结剂类材料包括水溶性酚醛。
7.如权利要求1所述的一种基于超材料的新型防爆复合结构，其特征在于: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。
【专利摘要】本发明涉及一种基于超材料的新型防爆复合结构，属于防护领域。发明第一层为超材料层、第二层为结合层、第三层为吸能缓冲层。超材料层与吸能缓冲层通过结合层结合。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％。
【IPC分类】B32B15-20, B32B15-04
【公开号】CN104553143
【申请号】CN201510033552
【发明人】李向荣, 陈震, 王国辉, 罗建华, 干湧, 王成, 姚鎏, 钟孟春, 张建伟
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院, 大连理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月22日