CN104553143A - 一种基于超材料的新型防爆复合结构 - Google Patents

一种基于超材料的新型防爆复合结构 Download PDF

Info

Publication number
CN104553143A
CN104553143A CN201510033552.7A CN201510033552A CN104553143A CN 104553143 A CN104553143 A CN 104553143A CN 201510033552 A CN201510033552 A CN 201510033552A CN 104553143 A CN104553143 A CN 104553143A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
energy
explosion
explosive
proof composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510033552.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104553143B (zh
Inventor
李向荣
陈震
王国辉
罗建华
干湧
王成
姚鎏
钟孟春
张建伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Original Assignee
Dalian University of Technology
Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology, Academy of Armored Forces Engineering of PLA filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201510033552.7A priority Critical patent/CN104553143B/zh
Publication of CN104553143A publication Critical patent/CN104553143A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104553143B publication Critical patent/CN104553143B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B32B2307/558—Impact strength, toughness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B32B2307/56—Damping, energy absorption

Abstract

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％。

Description

一种基于超材料的新型防爆复合结构
技术领域
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
以往的防爆结构的研究主要在两个方面，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究新材料；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。
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。
经过研究发现，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
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。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
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。
超材料层与吸能缓冲层通过结合层结合。
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。
微结构的形式包括弹簧质量系统、金属-非金属球体系统；
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；
所述弹性材料包括硅橡胶材料；
所述基体材料包括环氧树脂材料
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。
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。
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。
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。
有益效果
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％。
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高。
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
图1高能炸药产生的爆炸波随时间衰减特性；
图2基于超材料的三层新型防爆复合结构；
图3微结构形式为弹簧质量系统的超材料结构；
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。
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
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
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。
超材料层1与吸能缓冲层3通过结合层2结合。
超材料层1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。
所述弹性材料5为橡胶材料；
所述基体材料6为环氧树脂材料。
结合层2为水溶性酚醛。
吸能缓冲层3为蜂窝铝。
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
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。
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。

Claims (7)

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(1)与吸能缓冲层(3)通过结合层(2)结合；
所述超材料层(1)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(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(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。
CN201510033552.7A 2015-01-22 2015-01-22 一种基于超材料的防爆复合结构 Expired - Fee Related CN104553143B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510033552.7A CN104553143B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于超材料的防爆复合结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510033552.7A CN104553143B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于超材料的防爆复合结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104553143A true CN104553143A (zh) 2015-04-29
CN104553143B CN104553143B (zh) 2016-11-09

Family

ID=53070686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510033552.7A Expired - Fee Related CN104553143B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于超材料的防爆复合结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104553143B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104792224A (zh) * 2015-04-29 2015-07-22 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种防爆炸波复合装甲结构
CN106869088A (zh) * 2017-03-20 2017-06-20 武汉大学 吸附式复合消能防爆装置
CN106881921A (zh) * 2017-03-17 2017-06-23 武汉大学 冲击波复合消能防护装置
WO2018047169A1 (en) * 2016-09-08 2018-03-15 Klepach Doron Void-based metamaterials
CN109786973A (zh) * 2019-01-31 2019-05-21 浙江师范大学 一种手性微波吸收超材料及其制备与应用
CN110806146A (zh) * 2019-11-28 2020-02-18 青岛沙木新材料有限公司 蜂窝阻尼单元多层复合吸能材料及其制备
CN112781460A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 清华大学 一种主动控制防护爆炸冲击波的装置和方法
CN113773027A (zh) * 2021-11-11 2021-12-10 太原理工大学 基于局域共振的超材料混凝土防爆结构

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2381995Y (zh) * 1997-06-20 2000-06-07 余利军 模块化固－液－爆复合附加装甲
CN2767316Y (zh) * 2004-10-26 2006-03-29 沈承昭 攻占赢敌复合装甲
CN202432939U (zh) * 2011-12-19 2012-09-12 广州卫富科技开发有限公司 一种复合型防爆罐
CN103009685A (zh) * 2012-12-26 2013-04-03 官宇寰 一种新型轻质抗冲击夹层结构
CN203396288U (zh) * 2013-06-14 2014-01-15 中国人民解放军理工大学 一种柱壳组簧内置泡沫铝夹层的防爆罐
CN104061829A (zh) * 2014-06-03 2014-09-24 北京空间飞行器总体设计部 一种便携式可变形吸能防爆罐
WO2014149087A1 (en) * 2012-11-30 2014-09-25 Renton Coil Spring Company Resiliently mounted armor panel

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2381995Y (zh) * 1997-06-20 2000-06-07 余利军 模块化固－液－爆复合附加装甲
CN2767316Y (zh) * 2004-10-26 2006-03-29 沈承昭 攻占赢敌复合装甲
CN202432939U (zh) * 2011-12-19 2012-09-12 广州卫富科技开发有限公司 一种复合型防爆罐
WO2014149087A1 (en) * 2012-11-30 2014-09-25 Renton Coil Spring Company Resiliently mounted armor panel
CN103009685A (zh) * 2012-12-26 2013-04-03 官宇寰 一种新型轻质抗冲击夹层结构
CN203396288U (zh) * 2013-06-14 2014-01-15 中国人民解放军理工大学 一种柱壳组簧内置泡沫铝夹层的防爆罐
CN104061829A (zh) * 2014-06-03 2014-09-24 北京空间飞行器总体设计部 一种便携式可变形吸能防爆罐

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104792224B (zh) * 2015-04-29 2016-04-20 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种防爆炸波复合装甲结构
CN104792224A (zh) * 2015-04-29 2015-07-22 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种防爆炸波复合装甲结构
CN109844444A (zh) * 2016-09-08 2019-06-04 福玛特有限公司 基于空隙的超材料
US11506470B2 (en) 2016-09-08 2022-11-22 Fvmat Ltd Void-based metamaterials
WO2018047169A1 (en) * 2016-09-08 2018-03-15 Klepach Doron Void-based metamaterials
EP3510345A4 (en) * 2016-09-08 2020-07-29 Fvmat Ltd. CAVE-BASED METAMATERIALS
CN106881921A (zh) * 2017-03-17 2017-06-23 武汉大学 冲击波复合消能防护装置
CN106869088B (zh) * 2017-03-20 2019-04-09 武汉大学 吸附式复合消能防爆装置
CN106869088A (zh) * 2017-03-20 2017-06-20 武汉大学 吸附式复合消能防爆装置
CN109786973A (zh) * 2019-01-31 2019-05-21 浙江师范大学 一种手性微波吸收超材料及其制备与应用
CN110806146A (zh) * 2019-11-28 2020-02-18 青岛沙木新材料有限公司 蜂窝阻尼单元多层复合吸能材料及其制备
CN112781460A (zh) * 2020-12-25 2021-05-11 清华大学 一种主动控制防护爆炸冲击波的装置和方法
CN112781460B (zh) * 2020-12-25 2021-12-10 清华大学 一种主动控制防护爆炸冲击波的装置和方法
CN113773027A (zh) * 2021-11-11 2021-12-10 太原理工大学 基于局域共振的超材料混凝土防爆结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN104553143B (zh) 2016-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104553143B (zh) 一种基于超材料的防爆复合结构
CN104792224B (zh) 一种防爆炸波复合装甲结构
CN105783598B (zh) 一种设置弹性板的防爆复合装甲结构
Madhu et al. Armour Protection and Affordable Protection for Futuristic Combat Vehicles.
CN103180685B (zh) 具有条形保护元件的装甲板及吸收弹丸能量的方法
Wang et al. Design and characteristics of hybrid composite armor subjected to projectile impact
US9109858B1 (en) Amphibious armor
CN112848554A (zh) 一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构
Pai et al. Development of materials and structures for shielding applications against Blast and Ballistic impact: A Detailed Review
RU2329455C1 (ru) Композитная броня
JP2011501800A (ja) 軽量装甲防護の向上のための装置、方法およびシステム
Alhadid et al. Critical overview of blast resistance of different concrete types
Ul Haq et al. The dynamic response of AuxHex and Star-Reentrant honeycomb cored sandwich panels subject to blast loading
CN103727844A (zh) 一种回弹性抗弹混杂复合材料
JP6725960B2 (ja) 防弾複合板
US10627193B1 (en) Armor for lightweight ballistic protection
RU138842U1 (ru) Многофункциональная броня
Yin et al. Ballistic performance study of multilayer Al2O3 ceramic-metal composite armor under strong confinement
Guo et al. Ballistic performance of protection structures using fiber composites as matrix armor
Chabera et al. Numerical and experimental study of armour system consisted of ceramic and ceramic-elastomer composites
RU2367881C1 (ru) Техническая бронекомпозиция
Ellis et al. Ballistic impact resistance of graphite composites with superelastic SMA and Spectra hybrid components
Chairi et al. Preliminary study of lightweight fibre-ceramic composite structures for the ballistic protection on military vessels
CN105927020A (zh) 一种固液两相溶液钢板防护装甲
Li et al. An Experimental Study of High-Velocity Impact on Aluminum Foam Composite Shield Structure

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20161109

Termination date: 20200122

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee