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气凝胶防爆板防爆机理简析

发布者:wubaiyi2018-06-02

       气凝胶在防爆减震方面的应用是气凝胶新材料研究中的一个重大突破,实验表明气凝胶波阻梯度材料板具有很好的防爆减震功能,8公斤TNT距离装甲底部450mm,使用气凝胶波阻梯度材料对装甲实施防护。装甲未穿透,焊接部位无明显撕裂,变形量与无防护材料相比减小了14%。爆炸在车体产生的加速度为98g,经过气凝胶波阻梯度板衰减后达到30.10g,相当于加速度衰减了69.29%,而作用时间增加了1.32ms。这一实验结果奠定了气凝胶在防爆减震方面应用的实验基础。

  为何这种与钢铁相比看似脆弱的材料却有着防爆减震的功能,本文试图对这一实验结果做出定性解释,玻璃纤维和碳纤维增强的气凝胶波阻梯度材料属于多孔材料, 其显著特征在于内部存在大量孔隙, 在冲击波作用下材料首先被压缩致密。泡沫材料变形一般经历三个阶段: 弹性段、屈服段、压实段。首先孔壁发生弹性变形, 部分冲击能量转变为弹性能, 同时气隙被绝热压缩并吸收部分能量; 继而孔壁发生塑性塌缩或脆性破碎, 将部分冲击能量转变为塑性能, 气隙绝热压缩过程基本结束, 随后被逐渐压实直至接近密实材料。一旦多孔材料被完全致密, 冲击波在其中的传播行为与相应密实材料基本相同。这时气凝胶胶体粒子高速碰撞, 胶体粒子之间的碰撞力增大, 也导致气凝胶结构破坏。 孔壁受到的横向张应力升高和胶体粒子之间高速碰撞共同作用, 导致气凝胶在动态压缩过程中出现“粉碎”的现象,表明冲击波在多孔材料中的传播衰减效应很大程度上取决于致密过程各阶段所吸收或耗散的能量。

  而这种吸收和消耗爆炸冲击波能量可由以下原因来解释:由于气凝胶中的孔洞为纳米级别,所以气凝胶的渗透率极低。在爆炸高速冲击过程中,气凝胶中的气体在瞬间难以逸出,气体分子之间以及气体分子与孔壁之间发生剧烈的碰撞。 空气分子的分子平均自由程( 一个空气分子与其它空气分子相继碰撞两次之间所走路程的平均值) 为70 nm,实验使用的气凝胶的平均孔径为16.9 nm.由于气凝胶孔壁与孔内空气分子之间的距离要远小于空气分子平均自由程, 并且气凝胶的比表面积极大, 所以空气分子与孔壁碰撞的概率要远高于与空气分子相互碰撞的概率。在高速压缩过程中,空气分子与孔壁之间的碰撞要比空气分子之间的高速碰撞更加剧烈。气体与孔壁碰撞引起的流动阻力以及气孔中空气分子之间的碰撞阻力会导致气孔内压力的增大,纳米级孔洞中的空气在瞬间难以逸出,导致气孔内压力增大以及能量消耗。材料变形越快,气体分子往外逸出越困难,孔洞内压越高,消耗的能量越多。由于气孔内部各个方向上的应力近似相等,所以气凝胶内的气体将轴向的压应力转化为各个方向上的应力,即气凝胶内的应力状态发生改变。气凝胶内应力增大到一定程度导致气凝胶的爆炸并造成能量的损失。材料变形越快,气孔内的压力越高, 消耗的能量就越多。

  在气凝胶爆炸过程中会产生纤维拔出和纤维断裂的现象, 同时也消耗了大量的能量,纤维对气凝胶的增韧作用导致气凝胶的爆炸需要更大的内应力,从而延缓了气凝胶的爆炸使气凝胶在爆炸时需要消耗更多的能量,这就使爆炸冲击波的能量被大量消耗从而起到了装甲防护作用。


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