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氣凝膠防爆板防爆機理簡析

發布者:wubaiyi2018-06-02

       氣凝膠在防爆減震方面的應用是氣凝膠新材料研究中的一個重大突破,實驗表明氣凝膠波阻梯度材料板具有很好的防爆減震功能,8公斤TNT距離裝甲底部450mm,使用氣凝膠波阻梯度材料對裝甲實施防護。裝甲未穿透,焊接部位無明顯撕裂,變形量與無防護材料相比減小了14%。爆炸在車體產生的加速度為98g,經過氣凝膠波阻梯度板衰減后達到30.10g,相當于加速度衰減了69.29%,而作用時間增加了1.32ms。這一實驗結果奠定了氣凝膠在防爆減震方面應用的實驗基礎。

  為何這種與鋼鐵相比看似脆弱的材料卻有著防爆減震的功能,本文試圖對這一實驗結果做出定性解釋,玻璃纖維和碳纖維增強的氣凝膠波阻梯度材料屬于多孔材料, 其顯著特征在于內部存在大量孔隙, 在沖擊波作用下材料首先被壓縮致密。泡沫材料變形一般經歷三個階段: 彈性段、屈服段、壓實段。首先孔壁發生彈性變形, 部分沖擊能量轉變為彈性能, 同時氣隙被絕熱壓縮并吸收部分能量; 繼而孔壁發生塑性塌縮或脆性破碎, 將部分沖擊能量轉變為塑性能, 氣隙絕熱壓縮過程基本結束, 隨后被逐漸壓實直至接近密實材料。一旦多孔材料被完全致密, 沖擊波在其中的傳播行為與相應密實材料基本相同。這時氣凝膠膠體粒子高速碰撞, 膠體粒子之間的碰撞力增大, 也導致氣凝膠結構破壞。 孔壁受到的橫向張應力升高和膠體粒子之間高速碰撞共同作用, 導致氣凝膠在動態壓縮過程中出現“粉碎”的現象,表明沖擊波在多孔材料中的傳播衰減效應很大程度上取決于致密過程各階段所吸收或耗散的能量。

  而這種吸收和消耗爆炸沖擊波能量可由以下原因來解釋:由于氣凝膠中的孔洞為納米級別,所以氣凝膠的滲透率極低。在爆炸高速沖擊過程中,氣凝膠中的氣體在瞬間難以逸出,氣體分子之間以及氣體分子與孔壁之間發生劇烈的碰撞。 空氣分子的分子平均自由程( 一個空氣分子與其它空氣分子相繼碰撞兩次之間所走路程的平均值) 為70 nm,實驗使用的氣凝膠的平均孔徑為16.9 nm.由于氣凝膠孔壁與孔內空氣分子之間的距離要遠小于空氣分子平均自由程, 并且氣凝膠的比表面積極大, 所以空氣分子與孔壁碰撞的概率要遠高于與空氣分子相互碰撞的概率。在高速壓縮過程中,空氣分子與孔壁之間的碰撞要比空氣分子之間的高速碰撞更加劇烈。氣體與孔壁碰撞引起的流動阻力以及氣孔中空氣分子之間的碰撞阻力會導致氣孔內壓力的增大,納米級孔洞中的空氣在瞬間難以逸出,導致氣孔內壓力增大以及能量消耗。材料變形越快,氣體分子往外逸出越困難,孔洞內壓越高,消耗的能量越多。由于氣孔內部各個方向上的應力近似相等,所以氣凝膠內的氣體將軸向的壓應力轉化為各個方向上的應力,即氣凝膠內的應力狀態發生改變。氣凝膠內應力增大到一定程度導致氣凝膠的爆炸并造成能量的損失。材料變形越快,氣孔內的壓力越高, 消耗的能量就越多。

  在氣凝膠爆炸過程中會產生纖維拔出和纖維斷裂的現象, 同時也消耗了大量的能量,纖維對氣凝膠的增韌作用導致氣凝膠的爆炸需要更大的內應力,從而延緩了氣凝膠的爆炸使氣凝膠在爆炸時需要消耗更多的能量,這就使爆炸沖擊波的能量被大量消耗從而起到了裝甲防護作用。


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