氣凝膠防爆板防爆機(jī)理簡析

氣凝膠在防爆減震方面的應(yīng)用是氣凝膠新材料研究中的一個(gè)重大突破，實(shí)驗(yàn)表明陜西盟創(chuàng)納米新材料股份有限公司生產(chǎn)的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(duì)裝甲實(shí)施防護(hù)。裝甲未穿透，焊接部位無明顯撕裂，變形量與無防護(hù)材料相比減小了14%。爆炸在車體產(chǎn)生的加速度為98g，經(jīng)過氣凝膠波阻梯度板衰減后達(dá)到30.10g，相當(dāng)于加速度衰減了69.29%，而作用時(shí)間增加了1.32ms。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果奠定了氣凝膠在防爆減震方面應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出定性解釋，玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的氣凝膠波阻梯度材料屬于多孔材料， 其顯著特征在于內(nèi)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(jīng)歷三個(gè)階段: 彈性段、屈服段、壓實(shí)段。首先孔壁發(fā)生彈性變形, 部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅? 同時(shí)氣隙被絕熱壓縮并吸收部分能量; 繼而孔壁發(fā)生塑性塌縮或脆性破碎, 將部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅? 氣隙絕熱壓縮過程基本結(jié)束， 隨后被逐漸壓實(shí)直至接近密實(shí)材料。一旦多孔材料被*致密, 沖擊波在其中的傳播行為與相應(yīng)密實(shí)材料基本相同。這時(shí)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(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)破壞。 孔壁受到的橫向張應(yīng)力升高和膠體粒子之間高速碰撞共同作用, 導(dǎo)致氣凝膠在動(dòng)態(tài)壓縮過程中出現(xiàn)“粉碎"的現(xiàn)象，表明沖擊波在多孔材料中的傳播衰減效應(yīng)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(jí)別，所以氣凝膠的滲透率極低。在爆炸高速?zèng)_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(fā)生劇烈的碰撞。 空氣分子的分子平均自由程( 一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(nèi)空氣分子之間的距離要遠(yuǎn)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(yuǎn)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(dòng)阻力以及氣孔中空氣分子之間的碰撞阻力會(huì)導(dǎo)致氣孔內(nèi)壓力的增大，納米級(jí)孔洞中的空氣在瞬間難以逸出，導(dǎo)致氣孔內(nèi)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(nèi)壓越高，消耗的能量越多。由于氣孔內(nèi)部各個(gè)方向上的應(yīng)力近似相等，所以氣凝膠內(nèi)的氣體將軸向的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為各個(gè)方向上的應(yīng)力，即氣凝膠內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。氣凝膠內(nèi)應(yīng)力增大到一定程度導(dǎo)致氣凝膠的爆炸并造成能量的損失。材料變形越快，氣孔內(nèi)的壓力越高, 消耗的能量就越多。

在氣凝膠爆炸過程中會(huì)產(chǎn)生纖維拔出和纖維斷裂的現(xiàn)象, 同時(shí)也消耗了大量的能量，纖維對(duì)氣凝膠的增韌作用導(dǎo)致氣凝膠的爆炸需要更大的內(nèi)應(yīng)力，從而延緩了氣凝膠的爆炸使氣凝膠在爆炸時(shí)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(hù)作用。