CN105783598B - 一种设置弹性板的防爆复合装甲结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超材料的新型防爆复合结构，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。本发明的结构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，防爆性能要大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超材料的新型防爆复合装甲结构，特别是设置弹性板的防爆复合装甲结构，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。
一种防爆复合装甲结构，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结合，在超材料层的外部设置弹性板，所述的弹性板和超材料层之间设置多个金属弹簧。
作为优选，所述的金属弹簧为多排结构，每排为多个。
作为优选，弹性板和/或超材料层为金属-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。
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的圆心位置。
作为优选，所述弹性材料（5）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。
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(R1/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<R1<9.0mm；6.0mm<R2<10.5mm；7.0mm<L<11.5mm；
0.75<R1/R2<0.86；0.79<R2/L<0.91。
作为优选， a=0.025，b=0.074，c=0.8。
作为优选，随着R1/R2的增加，a不断减小，b、c不断增加。
作为优选，弹性板中各组分的重量配比是：环氧树脂50～60，多胺类固化剂10～16，金属粉20～30，其余为石粉增强粒子。
作为优选，环氧树脂55，多胺类固化剂13，金属粉25，其余为石粉增强粒子。
采取本发明可以取得如下的技术效果：
1、通过在弹性板和超材料层之间设置多个金属弹簧，进一步提高防爆性能。
2、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%。
3、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。
4、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。
5、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
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。
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、7—弹性板。
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
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1与吸能缓冲层3通过结合层2结合。其中超材料层1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。
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。
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。
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。
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。
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1GPa，泊松比为0.38。
超材料层1、结合层2、吸能缓冲层3的厚度分别1-2cm,0.05-0.15cm，1.5-2.5cm。
优选分别是1.5cm，0.08cm，2cm。
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。
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。
在理论模拟和实际试验中发现，作为金属球体体积不能过大，如果过大，则导致微结构的重量过大，造成坦克、车辆等车体运行缓慢，耗油过多，同样，金属球体4体积不能过小，如果过小，会造成微结构的密度过小，无法起到充当质量块的作用；对于弹性材料5，体积不能过大，如果体积过大，会整体造成微结构密度过小，使得金属球体充当质量块的作用减弱，而且会造成整个微结构体积过大，如果弹性材料5的体积过小，则起不到利用弹性材料进行缓冲的作用；对于基体材料6，也应该满足一个最佳的尺寸，如果基体材料尺寸过小，则起不到保护弹性材料的作用，如果基体过大，则造成尺寸过大，使得金属球体的质量块作用减弱，使得弹性材料在整个微粒结构中的比例降低，从而降低整个微结构的缓冲作用。因此对于金属球体4、弹性材料5、基体材料6的尺寸关系应该满足一个最优的关系。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，通过数值模拟和大量的试验得到了上述三种尺寸的最佳关系式如下：
R2/L=a*Ln(R1/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<R1<9.0mm；6.0mm<R2<10.5mm；7.0mm<L<11.5mm；
0.75<R1/R2<0.86；0.79<R2/L<0.91
作为优选，a=0.025，b=0.074，c=0.8。
作为优选，随着R1/R2的增加，a不断减小，b、c不断增加。
通过上述结构的优化，可以得到最佳的尺寸，通过上述微颗粒的尺寸，能够使得在最优化的尺寸结构下达到最佳的防爆效果。在最小防爆层质量的情况下达到最佳的防爆效果。
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。
作为优选，超材料层1中，从外部向内部，金属球体的体积逐渐减少，即金属球体的质量比重逐渐降低。通过实验发现，此种情况的设置能够提高10%左右的防爆能力。
作为优选，超材料层1中，从外部向内部，弹性材料的体积逐渐增加，主要是随着向内部延伸，弹性越来越大，逐渐增加弹性缓冲，同时逐渐降低基体材料的比重。通过实验发现，此种情况的设置能够提高10%左右的防爆能力。
实施例2：
实施例2是在实施例1的基础上进一步的改进。如图3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。上述三层的结构的成分等与实施例1相同，就不在进一步描述。
实施例2进一步在超材料层1的外部设置弹性板7，所述的弹性板7和超材料层1之间设置多个金属弹簧，所述的金属弹簧为多排结构，每排为多个。
作为优先，弹性板7可以是和超材料层相同的成分，即也是由图5所示的微结构组成。
当然，本发明研发了一种新的弹性板7，弹性板中各组分的重量配比是：环氧树脂50～60，多胺类固化剂10～16，金属粉20～30，其余为石粉增强粒子。其中本发明通过增加环氧树脂的比例来增加弹性，同时又通过调节金属粉和石粉的成分比例来达到满足防爆需要。
作为优选，环氧树脂55，多胺类固化剂13，金属粉25，其余为石粉增强粒子。
作为优选，所述环氧树脂可采E-51或E-44。多胺类固化剂可采用聚醚胺类和二乙烯三胺混合固化剂。石粉增强粒子可采用重质BaSO4、氢氧化铝或碳酸钙。
本发明还提供了采用以下步骤的方法制备上述的弹性模型材料：
1）在容器中先放入环氧树脂，再向其加入聚醚胺类和二乙烯三胺混合固化剂，充分搅拌均匀，然后加入金属粉和石粉增强粒子，并不断搅拌，直到混合均匀为止；
2)将步骤1中搅拌均匀的物质倒入事先准备好的模具中，然后在室温下固化24小时，即可得到所述的防撞击的弹性材料。
作为优选，如图4所示，在弹簧中进一步设置弹性片，所述的弹性片可以是与弹性板相同的材料，也可以是与超材料层相同的材料。
通过设置弹簧以及弹性片，可以使得超材料层的厚度降低，从而节省成本。
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 (8)
1.一种防爆复合装甲结构，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结合，在超材料层的外部设置弹性板，所述的弹性板和超材料层之间设置多个金属弹簧；
所述的金属弹簧为多排结构，每排为多个；
弹性板和/或超材料层为金属-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。
2.如权利要求1所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：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的圆心位置。
3.如权利要求2所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：所述弹性材料（5）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。
4.如权利要求2所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：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，三种尺寸的最佳关系式如下：
R2/L=a*Ln(R1/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<R1<9.0mm；6.0mm<R2<10.5mm；7.0mm<L<11.5mm；
0.75<R1/R2<0.86；0.79<R2/L<0.91。
5.如权利要求4所述的防爆复合装甲结构，其特征在于： a=0.025，b=0.074，c=0.8。
6.如权利要求5所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：随着R1/R2的增加，a不断减小，b、c不断增加。
7.如权利要求1所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：弹性板中各组分的重量配比是：环氧树脂50～60，多胺类固化剂10～16，金属粉20～30，其余为石粉增强粒子。
8.如权利要求7所述的防爆复合装甲结构，其特征在于：环氧树脂55，多胺类固化剂13，金属粉25，其余为石粉增强粒子。
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