氣凝膠防爆板防爆機理簡析

氣凝膠在防爆減震方麵的應用是氣凝膠新材料研究中的一個(ge) 重大突破，實驗表明陝西盟創納米新材料股份有限公司生產(chan) 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裝甲實施防護。裝甲未穿透，焊接部位無明顯撕裂，變形量與(yu) 無防護材料相比減小了14%。爆炸在車體(ti) 產(chan) 生的加速度為(wei) 98g，經過氣凝膠波阻梯度板衰減後達到30.10g，相當於(yu) 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麵應用的實驗基礎。

為(wei) 何這種與(yu) 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於(yu) 多孔材料， 其顯著特征在於(yu) 內(nei) 部存在大量孔隙, 在衝(chong) 擊波作用下材料首先被壓縮致密。泡沫材料變形一般經曆三個(ge) 階段: 彈性段、屈服段、壓實段。首先孔壁發生彈性變形, 部分衝(chong) 擊能量轉變為(wei) 彈性能, 同時氣隙被絕熱壓縮並吸收部分能量; 繼而孔壁發生塑性塌縮或脆性破碎, 將部分衝(chong) 擊能量轉變為(wei) 塑性能, 氣隙絕熱壓縮過程基本結束， 隨後被逐漸壓實直至接近密實材料。一旦多孔材料被*致密, 衝(chong) 擊波在其中的傳(chuan) 播行為(wei) 與(yu) 相應密實材料基本相同。這時氣凝膠膠體(ti) 粒子高速碰撞, 膠體(ti) 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(ti) 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，表明衝(chong) 擊波在多孔材料中的傳(chuan) 播衰減效應很大程度上取決(jue) 於(yu) 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衝(chong) 擊波能量可由以下原因來解釋：由於(yu) 氣凝膠中的孔洞為(wei) 納米級別，所以氣凝膠的滲透率極低。在爆炸高速衝(chong) 擊過程中，氣凝膠中的氣體(ti) 在瞬間難以逸出，氣體(ti) 分子之間以及氣體(ti) 分子與(yu) 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(ge) 空氣分子與(yu) 其它空氣分子相繼碰撞兩(liang) 次之間所走路程的平均值) 為(wei) 70 nm，實驗使用的氣凝膠的平均孔徑為(wei) 16.9 nm.由於(yu) 氣凝膠孔壁與(yu) 孔內(nei) 空氣分子之間的距離要遠小於(yu) 空氣分子平均自由程, 並且氣凝膠的比表麵積極大， 所以空氣分子與(yu) 孔壁碰撞的概率要遠高於(yu) 與(yu) 空氣分子相互碰撞的概率。在高速壓縮過程中，空氣分子與(yu) 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(ti) 與(yu) 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(hui) 導致氣孔內(nei) 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(nei) 壓力增大以及能量消耗。材料變形越快，氣體(ti) 分子往外逸出越困難，孔洞內(nei) 壓越高，消耗的能量越多。由於(yu) 氣孔內(nei) 部各個(ge) 方向上的應力近似相等，所以氣凝膠內(nei) 的氣體(ti) 將軸向的壓應力轉化為(wei) 各個(ge) 方向上的應力，即氣凝膠內(nei) 的應力狀態發生改變。氣凝膠內(nei) 應力增大到一定程度導致氣凝膠的爆炸並造成能量的損失。材料變形越快，氣孔內(nei) 的壓力越高, 消耗的能量就越多。

在氣凝膠爆炸過程中會(hui) 產(chan) 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(nei) 應力，從(cong) 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，這就使爆炸衝(chong) 擊波的能量被大量消耗從(cong) 而起到了裝甲防護作用。