CN112874103B - 一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构。本发明从压缩性能角度出发，提出在多孔泡沫中填充可压缩液体，可压缩液体和多孔泡沫同时吸能，相比于传统的吸能方法具有更高的能量吸收效率和空间利用率；此外，还引入了固气双相的冲击波缓冲层，利用固气两项材料之间的巨大波阻抗差异，迫使来袭的冲击波在冲击波缓冲层中多次反射与透射，降低冲击波载荷作用到吸能层上的峰值，且延长载荷持续时间，提高吸能层的能量吸收效率；引入高波阻抗的稀疏波抑制层，避免吸能层背部材料过早地受到面外稀疏波影响而处于拉伸应力状态，进一步提升吸能层的能量吸收效率。

Description

一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构
技术领域
本发明涉及爆炸防护技术领域，具体涉及一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构，适用于警用、军用、公共安全防护。
背景技术
为了削弱爆炸载荷对受保护目标的毁伤，目前已有很多种利用防护结构削弱爆炸冲击波的方法。其中基于能量吸收的方法不但能够降低冲击波作用目标时的峰值，同时能够减弱后续防护结构的动量带来的二次威胁。
已有的爆炸载荷能量吸收方法主要基于以下4个方面：(1)材料的塑性变形，如泡沫多孔材料的压实过程；(2)材料的吸热相变，如位于炸药周边的细水雾在爆炸过程中吸收爆炸能量气化；(3)可压缩液体的受压吸能，可压缩液体主要包括(i)纳米多孔材料液体系统和(ii)含气泡液体；前者受压吸能的机理为疏水液体受压进入纳米多孔材料的纳米孔内部，如沸石-纯水系统受压过程中，水分子快速进入沸石纳米孔中，液体分子表面能和液体-纳米材料分子作用能等上升可吸收能量；后者吸能的机理为气泡受压破裂吸能。其中，基于(1)方面的能量吸收方法应用最为广泛，(2)方面运用场景容易因为条件苛刻而受限，(3)方面能量吸收密度可观，具有一定前景，但研究刚起步，主要存在以下应用难点：(i)上述可压缩液体需要稳定的受压条件以激活其吸能特性，但因液体具有很强流动性，其所受的压力容易在侧向稀疏波作用下发生卸载，使得纳米多孔材料液体系统中的部分液体无法顺利进入纳米多孔中或含气泡液体中的部分气泡无法破碎，进而使得系统吸能效果削弱；(ii)强冲击波作用时间尺度短，也可能无法有效激活吸能机理或完全发挥潜在能量吸收效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构，能够提高防护结构的能量吸收密度。
本发明的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，包括吸能层，所述吸能层为填充有可压缩液体的多孔泡沫。
进一步的，所述可压缩液体为纳米多孔材料液体或含气泡液体；所述纳米多孔材料液体为：将纳米多孔材料加入到非浸润液体中形成；所述含气泡液体为：将气体充装至液体中形成。
进一步的，所述纳米多孔材料为沸石β、纳米多孔硅石或碳纳米管；非浸润液体为水或甘油。
进一步的，所述含气泡液体中的液体为水、甘油或乙二醇。
进一步的，所述多孔泡沫采用高分子聚合泡沫或金属泡沫。
进一步的，所述多孔泡沫为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、泡沫铝或泡沫铜。
进一步的，可压缩液体和多孔泡沫的面外压缩平台应力的差异不超过10％。
进一步的，还包括冲击波缓冲层，所述冲击波缓冲层设置在吸能层的迎爆面，为固气双相结构；冲击波缓冲层中的固气两项材料之间存在波阻抗差异。
进一步的，所述冲击波缓冲层采用多孔泡沫材料、点阵结构材料、蜂窝材料或负泊松比材料制成。
进一步的，所述冲击波缓冲层采用闭孔聚氨酯泡沫或泡沫钢。
进一步的，还包括稀疏波抑制层，所述稀疏波抑制层设置在吸能层的背爆面，其波阻抗比吸能层的等效波阻抗高50倍以上。
进一步的，所述稀疏波抑制层为纯液或纯固体材料。
进一步的，所述稀疏波抑制层(3)采用硬铝合金、钛合金或甘油。
本发明还提供了一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，即设置吸能层，所述吸能层为在多孔泡沫中填充可压缩液体。
进一步的，所述可压缩液体为：将纳米多孔材料加入到非浸润液体中形成的纳米多孔材料液体；或者为：将气体充装至液体中形成的含气泡液体。
进一步的，所述纳米多孔材料液体中，纳米多孔材料为沸石β、纳米多孔硅石或碳纳米管，非浸润液体为水或甘油；所述含气泡液体中的液体为水、甘油或乙二醇。
进一步的，所述多孔泡沫采用高分子聚合泡沫或金属泡沫。
进一步的，所述多孔泡沫为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、泡沫铝或泡沫铜。
进一步的，采用面外压缩的平台应力差异不超过10％的可压缩液体和多孔泡沫。
进一步的，在吸能层的迎爆面设置冲击波缓冲层，所述冲击波缓冲层为固气双相结构；冲击波缓冲层中的固气两项材料之间存在波阻抗差异。
进一步的，所述冲击波缓冲层采用多孔泡沫材料、点阵结构材料、负泊松比材料或蜂窝材料制成。
进一步的，所述冲击波缓冲层采用闭孔聚氨酯泡沫、泡沫铝或泡沫钢。
进一步的，在吸能层的背爆面设置稀疏波抑制层，所述稀疏波抑制层的波阻抗比吸能层的等效波阻抗高50倍以上。
进一步的，所述稀疏波抑制层为纯液或纯固体材料。
进一步的，所述稀疏波抑制层采用硬铝合金、钛合金或甘油。
有益效果：
(1)本发明从压缩性能角度出发，提出在多孔泡沫层中填充可压缩液体，可压缩液体和多孔泡沫同时吸能，相比于传统的吸能方法具有更高的能量吸收效率和空间利用率；
(2)吸能层采用面外压缩性能相近的可压缩液体和多孔泡沫，兼顾二者的吸能特性吸能，提高吸能性能；
(3)引入的缓冲层与稀疏波抑制层充分考虑到了主体吸能材料/结构的应用条件(加载时间尺度与稳定受压条件)，能够有效地提高吸能层的吸能效率；
(4)多相材料间的合理搭配有利于降低结构自重与防护结构的二次碎片危害。
附图说明
图1为本发明的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构示意图。
其中，1-吸能层，2-缓冲层，3-稀疏波抑制层，4-可压缩液体，5-多孔泡沫。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构。
目前已经有了固液吸能结构，即：将液体填充到多孔泡沫中，利用液体的粘性和泡沫材料的塑性变形吸能；其采用的液体主要包括：纯水、有机物液体和剪切增稠液，且相关研究多关注于液体是否具有粘性。但是，本发明分析认为，这些液体在爆炸加载下可压缩性比较差(近似认为不可压缩)，与周围的泡沫框架受压响应差别很大，该种固液吸能结构反而在一定程度上会抑制泡沫材料的吸能效果。因此，本发明提出，将现有的不可压缩液体替换为可压缩液体，且挑选材料时液体不再关注粘性问题。
为此，本发明提出的爆炸防护结构，包括：吸能层1；所述吸能层1为可压缩液体填充的多孔泡沫。由于可压缩液体具有吸能与可压缩特性，因此爆炸防护结构的响应不再会因为液体的不可压缩而被液体主导，即液体和多孔泡沫同时能够吸能；这样相对比单一的多孔泡沫结构，相同体积下，能量吸收效率得到大幅提升，即空间利用率得到提升。同时，由于可压缩液体被分隔到多孔泡沫的各个细观孔径(大小为毫米级别)中，周围的孔壁会一定程度上限制可压缩液体的流动，或者说抑制横向卸载效应，则改善可压缩液体受压时的压力分布，提高可压缩液体的吸能效率。
本发明可压缩液体可采用纳米多孔材料液体或含气泡液体。
纳米多孔材料液体是将纳米多孔材料加入到非浸润液体中形成较为稳定的、类似胶体的混合物，其吸能与可压缩性能源自于非浸润液体受压条件下快速流入到纳米多孔材料的纳米尺度的小孔中，纳米多孔材料质量分数越高，可压缩体积应变越大，压缩曲线上流入产生的平台段越长，意味着该液体系统可压缩性越强，吸能效率越高。其中，纳米多孔材料可选用沸石β、纳米多孔硅石、碳纳米管等，非浸润液体可选用水、甘油等。本发明选用的纳米多孔材料液体为沸石β-水混合物、纳米多孔硅石颗粒-水混合物、碳纳米管-水混合物或碳纳米管-甘油混合物。
含气泡液体，其吸能与可压缩性能源自于气泡受压时的破裂，气泡体积含量越高，可压缩体积应变越大，压缩曲线上气泡破裂产生的平台段越长，意味着该液体系统可压缩性越强，吸能效率越高。含气泡液体可采用将气体充装在液体中形成；本发明选用将气泡充装在水、甘油、乙二醇等液体内，形成含气泡水、含气泡甘油、含气泡乙二醇等。
多孔泡沫可以是高分子聚合物泡沫，如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫等；也可以是金属泡沫，如泡沫铝、泡沫铜等；或者是其他含有细观尺度内孔(毫米级)的泡沫材料。
此外，为进一步发挥吸能层1中可压缩液体和多孔泡沫各自的吸能特性，选用材料时，可选择面外压缩力学响应(平台应力)相接近(差异不超过10％)的可压缩液体和多孔泡沫。这样吸能层1在受爆炸冲击波(压缩波)作用时，(i)两个组分能够有较好的变形一致性，都能激活各自的吸能机理；(ii)可压缩液体能够避免因为多孔泡沫的泡沫框架过早的失效，而发生了周向卸载，也可避免因为多孔泡沫迟迟不能被压压跨而无法处于良好的受压状态。
此外，为了提高吸能层1中可压缩液体的吸能效率，在防护结构中引入冲击波缓冲层2，该层采用固气双相结构，放置在吸能层前方(即迎爆面)。所述固气双相结构即为含有空气间隙的固体结构，可采用多孔泡沫材料，如闭孔聚氨酯泡沫、泡沫钢等，也可以采用一些点阵材料、负泊松比材料和蜂窝材料等，其主要原理是利用固气两项材料之间的巨大波阻抗差异，迫使来袭的冲击波在冲击波缓冲层中多次反射与透射，降低冲击波载荷作用到吸能层上的峰值，且延长载荷持续时间。筛选缓冲层材料时，无需要求其具备吸能特性，只要其能达到良好的延长冲击波作用持续时间即可。由于冲击波加载时间在迎爆面得到了有效地延长，到达吸能层时，可压缩液体的受压时间增长，有利于可压缩液体的吸能响应，提高其吸能效率。
此外，为了进一步改善吸能层1的受载条件，避免背部过早受到稀疏波的影响，在防护结构中引入一层稀疏波抑制层3；所述稀疏波抑制层3为高波阻抗纯液或纯固体材料层，放置在背爆面，与吸能层1牢固粘接。稀疏波抑制层3的波阻抗应当显高于吸能层1的等效波阻抗，即前者是后者的50倍以上，基于面外波阻抗匹配原则，可避免吸能层(1)背部材料过早地受到面外稀疏波影响而处于拉伸应力状态(拉伸无法使得非浸润液体进入纳米孔中)，因此可以提升吸能层的能量吸收效率。稀疏波抑制层3的材料可选用硬铝合金、钛合金、甘油等。
总结来说，本发明公开的三相吸能方法核心是：(1)利用吸能材料合理搭配与响应匹配的方式构建一个高效的吸能层；(2)冲击波缓冲层和稀疏波抑制层为辅助层，主要目的是提高吸能层1的吸能效率，为其理想吸能响应提供有利的载荷环境，实现的辅助的基本思想是面外波阻抗匹配。
实例1
图1为本发明三相吸能防爆结构。先是吸能层的确定，可压缩液体选用纳米多孔材料液体，具体的选用沸石β-纯水系统，质量配比为1:1，其动态平台应力(液体压入纳米孔的临界压力)约为10MPa。在选择多孔泡沫时，遵循面外压缩力学响应原则，考虑选择开孔泡沫铝，基于泡沫铝平台应力计算公式，通过调节其相对密度，以保证其面外压缩时平台应力接近10MPa。
接着是冲击波缓冲层与稀疏波抑制层的确定。位于迎爆面的冲击波缓冲层主要目的是通过内部的波阻抗不匹配实现冲击波作用时间的增长，采用闭孔聚氨酯泡沫，由于其内部存在诸多固气波阻抗不匹配界面，冲击波作用该层时会发生多次反射和透射，因此作用到吸能层的冲击波加载时间会一定程度上延长，有助于吸能效率的提升。位于背爆面的稀疏波抑制层采用使用硬铝合金，其波阻抗高于吸能层，因此可以抑制吸能层背部发生过早的面外拉伸卸载，也有助于吸能效率的提升。因此，本发明公开的方法强调各层之间的主次关系与协调关系，多相材料的引入能够有效的降低结构自重，同时也考虑到了多相之间的波阻抗匹配关系。
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 (15)

1.一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，包括吸能层（1）、冲击波缓冲层（2）和稀疏波抑制层（3）；其中，所述吸能层（1）为填充有可压缩液体的多孔泡沫；所述可压缩液体为纳米多孔材料液体或含气泡液体；所述冲击波缓冲层（2）设置在吸能层的迎爆面，为固气双相结构；冲击波缓冲层（2）中的固气两相材料之间存在波阻抗差异，采用孔泡沫材料、点阵结构材料、蜂窝材料或负泊松比材料制成；所述稀疏波抑制层（3）设置在吸能层（1）的背爆面，其波阻抗比吸能层（1）的等效波阻抗高50倍以上，采用硬铝合金、钛合金或甘油。
2.如权利要求1所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述纳米多孔材料液体为：将纳米多孔材料加入到非浸润液体中形成；所述含气泡液体为：将气体充装至液体中形成。
3.如权利要求2所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述纳米多孔材料为沸石β、纳米多孔硅石或碳纳米管；非浸润液体为水或甘油。
4.如权利要求2所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述含气泡液体中的液体为水、甘油或乙二醇。
5.如权利要求1~4任意一项所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述多孔泡沫采用高分子聚合泡沫或金属泡沫。
6.如权利要求1所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述多孔泡沫为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、泡沫铝或泡沫铜。
7.如权利要求1所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，可压缩液体和多孔泡沫的面外压缩平台应力的差异不超过10%。
8.如权利要求1所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护结构，其特征在于，所述冲击波缓冲层采用闭孔聚氨酯泡沫或泡沫钢。
9.一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，设置吸能层，并在吸能层的迎爆面设置冲击波缓冲层，在吸能层的背爆面设置稀疏波抑制层；其中，所述吸能层为在多孔泡沫中填充可压缩液体，所述可压缩液体为纳米多孔材料液体或含气泡液体；所述冲击波缓冲层为固气双相结构，冲击波缓冲层中的固气两相材料之间存在波阻抗差异，采用多孔泡沫材料、点阵结构材料、负泊松比材料或蜂窝材料制成；所述稀疏波抑制层的波阻抗比吸能层的等效波阻抗高50倍以上，采用硬铝合金、钛合金或甘油。
10.如权利要求9所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，所述可压缩液体为：将纳米多孔材料加入到非浸润液体中形成的纳米多孔材料液体；或者为：将气体充装至液体中形成的含气泡液体。
11.如权利要求9所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，所述纳米多孔材料液体中，纳米多孔材料为沸石β、纳米多孔硅石或碳纳米管，非浸润液体为水或甘油；所述含气泡液体中的液体为水、甘油或乙二醇。
12.如权利要求9所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，所述多孔泡沫采用高分子聚合泡沫或金属泡沫。
13.如权利要求12所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，所述多孔泡沫为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、泡沫铝或泡沫铜。
14.如权利要求9~13任意一项所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，采用面外压缩的平台应力差异不超过10%的可压缩液体和多孔泡沫。
15.如权利要求14所述的面向爆炸载荷的固液气三相吸能防护方法，其特征在于，所述冲击波缓冲层采用闭孔聚氨酯泡沫、泡沫铝或泡沫钢。
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