[发明专利]仿生球多层复合吸能材料及其制备

说明书

本发明提供了仿生球多层复合吸能材料及其制备。所述复合吸能材料依次由防护金属板I、高强聚脲涂层、仿生吸能球层和能量处理层组成。所述仿生吸能球层由多个金属材质的空心的仿生吸能半球有序排列组成，所述仿生吸能半球的开口朝向所述能量处理层。所述能量处理层依次包括夹层金属板、粘弹性阻尼层I、高强度弹簧、薄壁吸能管、粘弹性阻尼层II和防护金属板II。所述高强度弹簧的一端固定在粘弹性阻尼层I中，所述高强度弹簧的另一端通过粘弹性阻尼材料III固定在薄壁吸能管中。所述薄壁吸能管远离高强度弹簧的一端固定在粘弹性阻尼层II中。所述复合吸能材料不但极大的提高了防护效率而且克服了传统结构一次性防护的缺点，提高了利用率。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种吸能材料，具体地说，涉及一种用于防爆领域的轻型多层复合吸能材料。

背景技术

爆炸载荷是一种高频荷载，与静态载荷相比，更容易对结构造成损害。爆炸后产生的爆炸波能量极大，对目标的破坏力也极强。爆炸发生时，其能量冲击不仅会对爆炸中心的结构和人员造成伤害，产生的冲击波和结构碎片还会对附近环境产生影响，造成结构振动且往往伴随着巨大的噪音。

防爆结构的研究主要集中在两个方面，一方面是基于材料本身的吸能特性，也就是利用材料变形吸收能量或提高材料损耗因子的原理研究新材料。如通过加装附加防爆装甲实现对军用运输车的防护。这种方法可以有效的提高车辆的安全性，但附加装甲会大幅度增加运输车辆自重，从而使车辆的机动性大幅度下降。对于运输飞行器来讲，过大的负重将严重影响飞行器的运输能力，并使飞行器的机动性大大下降。另一方面是利用反动量原理抵抗来袭爆炸波，设计复杂的结构。比如通过采用V形车底结构分散爆炸冲击能量，减小车身底部爆炸冲击压力，从而提高车辆的防地雷能力。目前，越来越多的现代防地雷车辆均采用类似的车底结构，然而由于军用车辆对野外通过性有较髙要求，车身底部安装V形防护结构往往导致离地间隙减小，从而使得车辆重心位置往往较高，造成车辆操作稳定性降低。

为了解决上述问题，发明专利201510211687.8公开了“一种防爆炸波复合装甲结构”，所述复合装甲结构从外向内依次包括超材料层、结合层、吸能缓冲层；其中，超材料层与吸能缓冲层通过结合层优化结合，其中超材料层为金属-非金属球体系统组成的微结构。每一个微结构是一个冲击振动吸收器，其内部共振器的共振频率与爆炸冲击波特定频率接近，使来袭冲击波从反射。因此，该发明所述的防爆结构一方面通过超材料层的微结构设计，可以阻挡爆炸波中超压峰值附近区域的冲击波；另一方面通过吸能缓冲层吸收爆炸压力波，从而提高了结构的防爆能力。然而，对于爆炸所带来的大变形，结构只能通过吸能缓冲层的压溃变形而达到吸能效果，因而该结构只能抵抗单次爆炸；一旦吸能层吸能破坏后，该结构的吸能作用将大幅度下降。此外，对于接触式爆炸以及高速撞击等高应变率的应力集中作用，超材料层极容易发生脆性破坏，从而使结构的防护性能大幅度下降。

目前，仿生结构被广泛应用于各类防护结构构件中，比如低速撞击吸能结构、碰撞缓冲结构、减振增韧结构等。实用新型专利201821428847.X公开了一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，由仿生棱纹管、仿生内管、内外层泡沫铝分层管、外层泡沫铝、内层泡沫铝和连接筋组成。该结构大幅度地提高了吸能装置的承载能力和吸能特性，同时达到轻量化的目的。实用新型专利201920268213.0公开了一种新型仿生保险杠系统，通过对保险杠系统的设计变量进行优化，在保证轻量化和控制成本的前提下，进一步加强对行人的保护作用和提升整车耐撞性。综上可知，与传统防护结构相比，仿生结构具有更高的吸能效率且多为轻质异形结构；然而目前仿生结构多用于撞击等低速荷载的防护结构，无法抵抗高速荷载或爆炸荷载作用，且一旦破坏，其防护能力将大幅度下降。

此外，传统吸能管通过压溃变形，能够吸收一定的能量，但由于其本身吸能原理的限制，吸能管只能进行单次防护。高强度弹簧往通常作为车辆的减振装置，其吸能效果较差，一般用于提高车辆稳定性，而未见用于吸能。传统聚脲材料则多用于基材的防护领域，多用于防水、防腐以及车辆耐磨等领域。三者的应用领域差别较大，目前尚没有三者结合组成吸能或耗能结构的相关报道。

发明内容