CN110057262A - 基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体 - Google Patents

基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体 Download PDF

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邢志祥
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郝永梅
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Abstract

本发明公开了一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，由超压缓冲层连结爆炸阻隔层组成。超压缓冲层，表面采用了密集的刚性微结构排布；爆炸阻隔层由铁‑镍泡沫金属填充超细粉体组成。刚性微结构能抵御爆炸超压，多角度地分解爆炸冲击波的方向和大小，以达到缓冲目的。持续承受压力时，铁‑镍泡沫金属的多孔结构，协同NaHCO3/岩粉超细粉体，能充分地吸收爆炸负压，并能有效地抑制爆炸火焰的传播。本发明抵御爆炸时具有巨大超压幅值的爆炸超压，吸收以动量为载体的爆炸负压，并且对高温火焰起到有效的阻隔、冷却作用。相比现有抑爆体，本发明更轻便、抑爆效果更好，能够将所受爆炸压强降低73.9％，将火焰传播速率降低77.5％。

Description

基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体
技术领域
本发明属于防爆阻燃的防护领域，具体涉及一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体。
背景技术
从爆炸动力学角度来看，爆炸发生的瞬间，核心区域产生高温高压气体并向周围迅速膨胀，在空间内会形成极大的爆炸冲击波。爆炸压力随位置和时间而变化。保持位置不变，通过压强随时间变化的函数(见图1)可见，爆炸后经历一定时间，爆炸压力达到超压峰值，爆炸波以爆炸超压的形式体现。随着时间增长，爆炸压力很快衰减，在t0时刻下降至相对大气压为负压，直到达到负压峰值，这里可以看作是爆炸负压对物体造成后续的破坏。所以可以将爆炸波分为爆炸超压与爆炸负压两种体现形式，根据爆炸超压与爆炸负压的特点设计相应的结构实现抵御。
现有防爆结构的设计依据多为抵抗爆炸超压，或吸收爆炸负压两者之一，设计理念片面，没有综合考虑到爆炸压力随时间变化的整体趋势，难免顾此失彼。且现有防爆结构多由金属材料或非金属材料以实心板、块状结构构造，防爆阻燃效果一般，形态厚重密度大，应急使用时较为不便。
近年来，多孔材料因其多孔、轻质、高比强度、减振、阻尼、散热、吸收冲击能等优异物理特性而受到关注，在民用工程防护和军事领域得到广泛应用。2013年，魏春荣所著《多孔材料对瓦斯爆炸抑制作用研究》，研究了多孔泡沫铁镍金属对抑爆效果的影响，结果显示，多孔材料作为抑爆材料可很好地承受瓦斯爆炸冲击力作用。而粉体抑爆作为另一种抑爆技术，在抑爆过程中起到冷却、窒息爆炸反应和消耗自由基-OH、-H的作用。2008年，王秋红所著《粉体抑爆技术应用于煤矿的现状与问题探讨》对粉体抑爆技术做了深层次的分析，提出了多种有效的粉体抑爆剂及其搭配组合。
超细粉体又称纳米粉体，在金属或非金属矿物加工领域，一般指粒径D97≤10μm的一类粉体。因其具有微粒直径小、比表面积大、可随意输送、跟随性强的特点而广泛应用于人们的生产生活中。
发明内容
为了提高现有抑爆体的抑爆阻燃性能，使其更加轻便高效，基于爆炸压强随时间变化的研究，以及泡沫金属协同粉体抑制爆炸的作用，本发明提出了一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体。
一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，包括两层：第一层是超压缓冲层，第二层是爆炸阻隔层。超压缓冲层由金属材料制成，表面采用密集的刚性微结构排布。爆炸阻隔层由填充有超细粉体抑爆剂的铁-镍泡沫金属构成，超压缓冲层与爆炸阻隔层之间固定连接。
作为优选，超压缓冲层与爆炸阻隔层之间通过周边焊接连结。当然也可以采用扣连等连接方式。其中，焊接具有结构更稳定的特点，在高温高压情况下不容易发生结构损坏。
超压缓冲层由金属材料钛和铝合金制成，铝合金为基体，镀一层钛于表面，并以金属钛为主要原料，具有相当高的强度以及轻便的质量，并且在高温高压的环境下具有极佳的稳定性。
超压缓冲层表面采用具有能够分解爆炸冲击波压强大小及其方向的刚性微结构密集排布而成，优选的，刚性微结构为仿富勒烯分子的微拱型结构，密集排列，能有效分解爆炸冲击波的压强大小与方向，使该结构得以分散、均匀地受力，起到对爆炸超压的缓冲作用。
作为优选的，上述爆炸阻隔层的制备方法包括如下步骤：
(1)采用颗粒浇注法制备铁-镍泡沫金属，具体的，向密集堆放的氧化镁颗粒中缓慢浇注熔融铁、镍金属的均匀混合物，经冷凝固化后置于铵盐(铵盐不腐蚀铁镍，且优选氯化铵、硝酸铵)中浸泡，使氧化镁颗粒充分溶解，进而制得内部布满孔隙的铁-镍泡沫金属；
(2)将步骤(1)制得的铁-镍泡沫金属的侧边开孔，然后向孔中吹入超细粉体抑爆剂，并使超细粉体抑爆剂均匀填充在所述铁-镍泡沫金属的孔隙间，进而制得爆炸阻隔层。
优选的，铁-镍泡沫金属孔隙度为95％，，密度为1.4g/cm3，其中铁、镍质量含量之比为9:1。泡沫金属由于其多孔的特点，具有优异的隔热阻燃性能，能吸收能量以承受压缩应变。持续承受压力时，铁-镍泡沫金属由于气孔塌陷导致的受力面积增加以及材料应变的硬化效应，能充分地吸收爆炸负压。
优选的，超细粉体抑爆剂为NaHCO3和岩粉的均匀混合物。将NaHCO3/岩粉超细粉体均匀填充于泡沫金属间隙，可以极大地扩大超细粉体与高温火焰的接触面积，更高效地起到冷却、窒息爆炸反应、消耗自由基的效应，从而达到抑爆目的。
优选的，NaHCO3、岩粉质量比为2:1～1:2。
进一步优选的，所述的NaHCO3、岩粉的质量比为1:1，NaHCO3和岩粉微粒粒径为10μm，于铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。超细粉体作为一种抑爆剂，在抑爆过程中起到冷却、窒息爆炸反应和消耗自由基-OH、-H的作用。NaHCO3作为碳酸盐，本身分解就需要吸收爆炸释放的大量热量，且其分解产物CO2能作为惰性气体进一步窒息爆炸反应，另一产物H2O也能起到汽化吸收热量的功能。
本发明还取得如下有益效果：
本发明，综合分析了爆炸压强随时间变化的曲线，针对爆炸压强随时间变化而产生的超压区域和负压区域设计了两层结构：超压缓冲层，爆炸阻隔层。以泡沫金属为骨架，填充超细粉体实现复合抑爆，具有更轻便、抑爆效果更好的特点。在此基础上，结合仿富勒烯分子的微拱形结构，拱形结构在承受压力时能产生相对于受力方向的法向反力和横向推力，使结构本身受到较小的弯矩和剪力，有利于结构的稳定。再加上本发明采用密集的微结构排布，各个单元互相作用，能将爆炸冲击波均匀地分散，以达到缓冲目的。在同等造价情况下，相比于现有抑爆体，具有功效显著，且易于实现，经济效益高的特点，将所受爆炸压强降低73.9％，将火焰传播速率降低77.5％。
附图说明
图1为爆炸压强随时间变化的曲线图；
图2为本发明的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体的结构示意图；
图3为本发明的超压缓冲层表面刚性微结构排布结构图。
上述附图中的附图标记为：1超压缓冲层，2爆炸阻隔层。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
以下实施例中的爆炸阻隔层通过如下方法制得：
(1)采用颗粒浇注法制备铁-镍泡沫金属，具体的，将粒径为3mm氧化镁颗粒密集堆放，然后向密集堆放的氧化镁颗粒中缓慢浇注熔融的铁和镍金属，经冷凝固化后置于硝酸铵中浸泡，使氧化镁颗粒充分溶解，进而制得内部布满孔隙的铁-镍泡沫金属板；
(2)将步骤(1)制得的铁-镍泡沫金属的四边各均匀开三个孔径为3-5mm的小孔。然后，于拆除了过滤器的鼓风机空气室内添加超细粉体抑爆剂，给鼓风机安装直径为3mm的喷嘴，将喷嘴与小孔连通，并向小孔中吹入超细粉体抑爆剂，并使超细粉体抑爆剂均匀填充在所述铁-镍泡沫金属的孔隙间，进而制得爆炸阻隔层。
以下实施例中超压缓冲层由金属材料钛和铝合金制成，铝合金为基体，镀一层钛于表面，并以金属钛为主要原料。铝合金基体的材料采用7075铝合金，该材料具有强度高、耐热的特性，且易于加工。镀钛工艺采用PVD镀膜，所镀钛表面厚度约20微米。表面的刚性微结构的具体加工方式可参考铝合金制品的精密铸造，如石膏型熔模铸造技术。
实施例1：
一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，分为超压缓冲层1、爆炸阻隔层2两层。超压缓冲层1与爆炸阻隔层2通过周边焊接连结。爆炸阻隔层2为铁-镍泡沫金属均匀填充有NaHCO3和岩粉均匀混合的超细粉体构成，其中铁-镍泡沫金属中铁、镍含量之比为9:1，孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3；NaHCO3和岩粉超细粉体的微粒粒径为10μm。模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。铁-镍泡沫金属的体积为500cm3，控制NaHCO3和岩粉超细粉体混合物中NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1，于铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％情况下对抑爆效果的影响。以无填充的泡沫金属抑制同浓度条件下瓦斯爆炸为对照实验，分析本实验所测数据得到，NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％的实施例将所受爆炸压强由0.318MPa降低至0.083MPa，将火焰传播速率由454m/s降至102m/s。
实施例2
一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体分为超压缓冲层1、爆炸阻隔层2两层。超压缓冲层1与爆炸阻隔层2通过周边焊接连结。爆炸阻隔层2为铁-镍泡沫金属均匀填充NaHCO3和岩粉均匀混合的超细粉体构成，其中铁-镍泡沫金属中铁、镍含量之比为9:1，孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3；NaHCO3和岩粉超细粉体的微粒粒径为10μm。模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。铁-镍泡沫金属的体积为500cm3，控制NaHCO3和岩粉超细粉体混合物中NaHCO3、岩粉质量含量比为2:1，于铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究NaHCO3、岩粉质量含量比为2:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％情况下对抑爆效果的影响。以无填充的泡沫金属抑制同浓度条件下瓦斯爆炸为对照实验，分析本实验所测数据得到，NaHCO3、岩粉质量含量比为2:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％的实施例将所受爆炸压强由0.318MPa降低至0.154MPa，将火焰传播速率由454m/s降至110m/s。
实施例3
一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体分为超压缓冲层1、爆炸阻隔层2两层。超压缓冲层1与爆炸阻隔层2通过周边焊接连结。爆炸阻隔层2为铁-镍泡沫金属均匀填充NaHCO3和岩粉均匀混合的超细粉体构成，其中铁-镍泡沫金属中铁、镍含量之比为9:1，孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3；NaHCO3和岩粉超细粉体的微粒粒径为10μm。模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。铁-镍泡沫金属的体积为500cm3，控制NaHCO3和岩粉超细粉体混合物中NaHCO3、岩粉质量含量比为1:2，于铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究NaHCO3、岩粉质量含量比为1:2的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％情况下对抑爆效果的影响。以无填充的泡沫金属抑制同浓度条件下瓦斯爆炸为对照实验，分析本实验所测数据得到，NaHCO3、岩粉质量含量比为1:2的混合粉体，于泡沫金属中填充比为30％的实施例将所受爆炸压强由0.318MPa降低至0.099MPa，将火焰传播速率由454m/s降至137m/s。
实施例4
一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体分为超压缓冲层1、爆炸阻隔层2两层。超压缓冲层1与爆炸阻隔层2通过焊接连结。爆炸阻隔层2为铁-镍泡沫金属均匀填充NaHCO3和岩粉均匀混合的超细粉体构成，其中铁-镍泡沫金属中铁、镍含量之比为9:1，孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3；NaHCO3和岩粉超细粉体的微粒粒径为10μm。模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。铁-镍泡沫金属的体积为500cm3，控制NaHCO3和岩粉超细粉体中NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1，于铁-镍泡沫金属中的填充比为20％。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为20％情况下对抑爆效果的影响。以无填充的泡沫金属抑制同浓度条件下瓦斯爆炸为对照实验，分析本实验所测数据得到，NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1的混合粉体，于泡沫金属中填充比为20％的实施例将所受爆炸压强由0.318MPa降低至0.126MPa，将火焰传播速率由454m/s降至124m/s。
对比实施例1
一种由超压缓冲层1构成的抑爆体模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究单独使用超压缓冲层1的情况下对抑爆效果的影响。所受爆炸压强为0.426MPa，将火焰传播速率为631m/s。
对比实施例2
一种由爆炸阻隔层2构成的抑爆体，爆炸阻隔层2为铁-镍泡沫金属均匀填充有NaHCO3和岩粉均匀混合的超细粉体构成，其中铁-镍泡沫金属中铁、镍含量之比为9:1，孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3，铁-镍泡沫金属的体积为500cm3；NaHCO3和岩粉超细粉体的微粒粒径为10μm，控制NaHCO3和岩粉超细粉体混合物中NaHCO3、岩粉质量含量比为1:1，于铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。模拟10％的甲烷-空气混合气体条件下的瓦斯爆炸。通过压力传感器采集压强信号，高速摄像机计算火焰传播速率，研究单独使用爆炸阻隔层2的情况下对抑爆效果的影响。所受爆炸压强为0.514MPa，将火焰传播速率为495m/s。

Claims (6)

1.一种基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述复合抑爆体包括超压缓冲层和爆炸阻隔层；所述超压缓冲层由金属材料制成，表面采用密集的刚性微结构排布，所述刚性微结构为仿富勒烯分子的微拱型结构；所述爆炸阻隔层由填充有超细粉体抑爆剂的铁-镍泡沫金属构成；所述超压缓冲层与爆炸阻隔层之间固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述的爆炸阻隔层的制备方法包括如下步骤：
(1)采用颗粒浇注法制备铁-镍泡沫金属，具体的，向密集堆放的氧化镁颗粒中缓慢浇注熔融铁、镍金属的均匀混合物，经冷凝固化后置于铵盐中浸泡，使氧化镁颗粒充分溶解，进而制得内部布满孔隙的铁-镍泡沫金属；
(2)将步骤(1)制得的铁-镍泡沫金属的侧边开孔，然后向孔中吹入超细粉体抑爆剂，并使超细粉体抑爆剂均匀填充在所述铁-镍泡沫金属的孔隙间，进而制得爆炸阻隔层。
3.根据权利要求1所述的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述的铁-镍泡沫金属孔隙度为95％，密度为1.4g/cm3，其中铁、镍质量比为9:1。
4.根据权利要求1所述的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述的超细粉体抑爆剂为质量比为2:1～1:2的NaHCO3和岩粉的均匀混合物。
5.根据权利要求4所述的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述的NaHCO3、岩粉的质量比为1:1，NaHCO3和岩粉的粒径为10μm，在铁-镍泡沫金属中的填充比为30％。
6.根据权利要求1所述的基于填充有超细粉体抑爆剂的泡沫金属的复合抑爆体，其特征在于：所述超压缓冲层和爆炸阻隔层之间通过周边焊接连结。
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