CN110006303A - 一种阻挡爆炸冲击波应急防爆材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻挡爆炸冲击波应急防爆材料，属于应急防爆技术领域。本发明开发了一种“反射—阻隔—吸能—支撑”的多层次轻质防护材料，其中反射层选择异形超强合金钢片实现爆炸冲击波的有效扩散、满足隔爆系统应急救援快速响应的需求；阻隔层选择纤维树脂增强复合材料，起到阻隔冲击波和飞溅物的作用；吸能层选择多孔材料，起到吸收冲击波能量的作用；支撑层选择纤维树脂增强复合材料，对弹性泡沫层起支撑作用。本发明的多层结构协同作用，可有效反射、吸收爆炸冲击波，减少爆炸冲击波对人员和建筑的损伤，实现抗多次冲击的防护性，有效提升其延时性和衰减冲击波，进而展现优异的防爆性能，为公共应急防护提供了重要保障。

Description

一种阻挡爆炸冲击波应急防爆材料

技术领域

本发明属于应急防爆技术领域，具体涉及一种阻挡爆炸冲击波应急防爆材料。

背景技术

防爆材料是综合运用多种新型防爆技术，为满足军民领域安全防御系统而制备的一种应急多功能材料。近年来，“8.12”天津港、“6.5”临沂石化和“6.29”盐城股份等各类爆炸事件层出不穷，加之工程爆破等实际应用需求也不断增加，应急防爆材料成为了研发的热点。

针对二次爆炸及建筑物爆破等公共应急应用需求，传统的护栏及隔爆系统均为实体结构(包括金属材料、建议土堤、砂袋、砂石填充单元和混凝土等)，这些实体防护构件防护效能低、重量大、施工复杂、功能单一，严重影响到防护构件的使用效率和经济性。近年来，许多学者利用多孔泡沫材料增加足够的延性以及耗能能力，来吸收及反射爆轰波，与钢板、混凝土等支撑部件结合，相继开发了钢板—泡沫铝—钢板、聚氨酯泡沫—混凝土—聚氨酯泡沫、硬质聚氨酯泡沫塑料、金属网—陶瓷泡沫等结构体系，。然而，这些结构多为不同材料的简单随机组合，仍存在抗压强度低、阻隔性能差、重量大、防护性能差和不易拆装等问题，无法满足应急高可靠性的要求。

发明内容

本发明目的在于提供了一种阻挡爆炸冲击波的多层次防爆材料，满足应急防防爆材料所需的高性能化、轻质、防护性能好、易搭建和拆除等特征，实现应急救援安全和快速响应的需求。

本发明的第一个目的是提供一种防爆材料，所述防爆材料由反射层、阻隔层、吸能层和支撑层组成，所述阻隔层和支撑层是利用纤维增强复合材料进行填充，其中阻隔层与吸能层的厚度比为(15-40)：(10-60)。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料由“反射—阻隔—吸能—支撑”四部分顺序构成。

在本发明的一种实施方式中，所述反射层为高性能合金。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料中反射层的表面几何形状包含拱形、菱形、蜂窝形任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述反射层采用喷射成形工艺制备。

在本发明的一种实施方式中，所述反射层重量与整体防爆材料重量的比例范围为15％-35％。

在本发明的一种实施方式中，所述反射层的厚度为4-15mm。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层是利用高性能纤维增强复合材料进行填充，所述高性能纤维增强复合材料包括芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维任意一种或两种混杂。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层纤维结构为三维编织、三维机织、二维机织、单向任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层的基体包括环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂中任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层采用树脂传递模塑成型工艺、真空辅助成型工艺或模压成型工艺任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层中纤维增强复合材料的含胶量是20％-60％。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层重量与整体防爆材料重量的比例范围为15％-50％。

在本发明的一种实施方式中，所述阻隔层的厚度为15-60mm。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料中的吸能层为多孔材料，包括泡沫铝、聚氨酯泡沫、泡沫陶瓷、聚甲基丙酰亚胺(PMI)泡沫、点阵材料中的一种或多种。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料中的吸能层的孔隙率范围是5％-30％。

在本发明的一种实施方式中，所述吸能层重量与整体防爆材料重量的比例范围为5％-20％。

在本发明的一种实施方式中，所述吸能层的厚度为10-60mm。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层利用高性能纤维增强复合材料进行填充，所述高性能纤维增强复合材料包括芳纶纤维、高强聚乙烯纤维和碳纤维复合材料任意一种或多种。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层纤维结构为三维编织、三维机织、二维机织、单向任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层的基体包括环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂中任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层中纤维增强复合材料的含胶量是20％-60％。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层采用树脂传递模塑成型工艺、真空辅助成型工艺或模压成型工艺任意一种。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层重量与整体防爆材料重量的比例范围为15％-45％。

在本发明的一种实施方式中，所述支撑层的厚度为5-60mm。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料的制备方法包括：将反射层、阻隔层、吸能层、支撑层依次利用接面层材料连接，制得多层次的防爆材料。

在本发明的一种实施方式中，所述接面层材料包括环氧胶、聚氨酯弹性体、聚乙烯薄膜中的一种或多种。

在本发明的一种实施方式中，所述防爆材料采用树脂传递模塑成型工艺、真空辅助成型工艺或模压成型工艺任意一种。

本发明的第二个目的是提供一种防爆墙，所述防爆墙中包含上述的防爆材料。

本发明的第三个目的是将上述的防爆材料应用于应急防爆领域中。

本发明的有益效果为：

本发明为多层次防爆防护材料，反射层是防爆材料的迎爆面，它不仅增加了防爆材料的抗压强度，还通过几何结构的设计，有效地降低超压峰值，提升了爆炸冲击波的吸收及反射能力；阻隔层所选用的纤维增强复合材料可有效地阻隔飞溅碎片的传递作用，进而减少因爆炸飞溅带来的损伤；吸能层选用多孔材料，可延长作用时间，降低超压峰值，利用其变形吸收更多的能量；支撑层所选用的纤维增强复合材料，不仅重量轻，且可以提升材料强度，增加防护频段，实现多次冲击，进而保持隔爆系统的完整性。相比于传统实体结构，在重量降低30％的前提下，其爆炸抗压强度可提升15％-30％。

附图说明

图1为本发明多层次新型防护材料构示意图，其中，Ⅰ为反射层；Ⅱ为阻隔层；Ⅲ为吸能层；Ⅳ为支撑层；其中(a)中Ⅰ的形状是菱形，(b)中Ⅰ的形状是蜂窝形，(c)中Ⅰ的形状是拱形。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明。

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图针对本发明拟解决的问题，陈述本发明所采用的方法等。

如图1所示，依据冲击波的传播衰减特性及界面效应原理，本发明提出“反射—阻隔—吸能—支撑”的多层次轻质防护材料结构。其中反射层Ⅰ选择异形超强合金，一方面通过表面几何形状的设计实现爆炸冲击波的有效扩散，另一方面，借助合金易快速组装和拆卸的特点以满足隔爆系统应急救援快速响应的需求；阻隔层Ⅱ选择纤维增强复合材料，起到阻隔冲击波和飞溅物的作用；吸能层Ⅲ选择多孔材料，起到吸收冲击波能量的作用；支撑层Ⅳ选择纤维增强复合材料，对起支撑作用。

采用压电或压阻传感器，将其安装于试样背面，用卷尺测量炸药与传感器之间的距离，传感器与电荷放大器由低噪声电缆相连接，再与示波器连接。爆炸后，由传感器接收并转换电信号，经电缆输入电荷放大器，进而分析获取爆炸抗压强度；测得的抗压强度越小，说明材料的防爆效果越好。

为了更加清晰地表述本发明的目的及效果，将结合具体实例对本发明做进一步的阐述。

实施例1：

如附图1(b)所示，反射层Ⅰ采用蜂窝形7055合金，厚度为7mm；阻隔层Ⅱ采用芳纶复合材料，芳纶复合材料由80层纤维布铺层而成，铺层角度是0°/90°，阻隔层厚度为25mm；吸能层Ⅲ选用聚氨酯泡沫，其孔隙率是20％，厚度为50mm；支撑层Ⅳ选用碳纤维复合材料，铺层角度是0°/90°，选用70层碳纤维布铺层复合而成，复合后的板子厚度为20mm。防爆材料中反射层的质量分数为18.38％，吸能层为12.30％，阻隔层为36.75％，支撑层为32.57％。

阻隔层Ⅱ和支撑层Ⅳ中的复合工艺选择真空辅助成型工艺：将所述纤维布按照420mm×420mm的尺寸大小裁剪，随后将纤维布以0°/90°的铺层角度铺层，放入烘箱中烘燥8h，以钢化玻璃为模具，将其表面用酒精擦拭干净，在钢化玻璃上均匀的涂上脱模剂，涂抹范围大于纤维布的尺寸，待干燥后再涂一遍，共三遍，中间不留缝隙，在纤维布上依此铺上脱模布和导流网(脱模布和导流网要覆盖住纤维布)以及固定进出胶口，最后密封真空袋。使用真空泵抽气，确定封装系统不漏气，真空度达到0.95MPa以上时，开始配制树脂，复合材料基体选用E-51环氧树脂，固化剂选用聚醚胺H023，树脂基体配比(环氧树脂∶固化剂)为3:1。将进胶口的管道放入配制的树脂内，树脂浸透后保持恒压几分钟，随后放入烘箱进行固化，固化温度为60℃，固化时间为8h。

各结构层之间的接面层采用环氧胶膜，用室温固化环氧胶粘剂将玻璃纤维布完全浸渍后制成，然后在湿态下将其铺贴于各层之间。最终形成的防爆材料的长宽尺寸确定为400mm×400mm，阻隔层Ⅱ和支撑层Ⅳ中所采用的复合材料含胶量分别为45％和50％。所得

由此制备的多层次轻质防护材料总厚度是102mm，密度为1.00g/cm³。

将0.9kg乳化炸药放置于实施例1所制备的多层次防爆材料的反射层一侧，距反射层2m，防爆层背面放置PVDF压电传感器。测试显示，实施例1防爆材料的抗压强度为23.58MPa。

实施例2：

如附图1(c)所示，反射层Ⅰ采用拱形7055合金，厚度为6mm；阻隔层Ⅱ采用超高分子量聚乙烯复合材料，超高分子量聚乙烯复合材料由面密度为80g/m²的150层纤维布铺层而成，铺层角度是[0°/45°/-45°/90°]s，复合后的板子厚度为30mm；吸能层Ⅲ选择轻质泡沫铝，其孔隙率为25％，厚度为45mm；支撑层Ⅳ选用碳纤维三维编织复合材料，编织角为30°，复合后的板子厚度为15mm。防爆材料中反射层的质量分数为18.17％，吸能层为8.98％，阻隔层为44.67％，支撑层为28.18％。

阻隔层Ⅱ和支撑层Ⅳ中的复合工艺选择RTM工艺，将织物按要求铺放在模具中，加入适量丙酮浸润放入烘箱烘燥8h，当烘干后在模具周围涂上脱模剂，随后将模具闭合和密封，开始配制树脂，复合材料基体选用TDE-86环氧树脂；为了保证树脂具有较好的粘度，整个注胶过程在温度为60℃的烘箱中进行。在压力泵的压力为0.3Mpa时，将树脂注入模具中直至完全浸润织物；复合固化工艺为130℃/2h+150℃/1h+160℃/8h+130℃/3h。

各层之间的接面层采用聚乙烯薄膜，使用热压的方法将聚乙烯薄膜以反射层Ⅰ、聚乙烯薄膜、阻隔层Ⅱ、聚乙烯薄膜、吸能层Ⅲ、聚乙烯薄膜、支撑层Ⅳ的顺序铺层，并在热压机中放置2h，设置温度为90℃，最终形成的多层次轻质防爆材料的长宽尺寸确定为400mm×400mm，阻隔层Ⅱ和支撑层Ⅳ中所采用的复合材料含胶量分别为60％和50％。

所得的多层次轻质防爆材料的密度为0.929g/cm3，厚度是96mm。将0.9kg乳化炸药放置于实施例1所制备的多层次防爆材料的反射层一侧，距反射层2m，防爆层背面放置PVDF压电传感器。测试显示，实施例2防爆材料的抗压强度为19.28MPa。

实施例3工艺优化

(1)阻隔层厚度优化：

参考实施例2，将阻隔层的厚度替换成3mm、15mm、40mm、55mm，其他条件不变，制备得到防爆材料，测试材料的抗压强度，结果如表1所示。

表1不同重量占比的阻隔层抗压强度

由测试数据可知，阻隔层的厚度过大或过小，其抗爆效果都会有所降低，尤其是当阻隔层占比较小时，其抗爆性能更差。经过大量优化实验表明，当阻隔层的厚度在10-40mm时，抗爆效果较好。

(2)吸能层厚度的优化：

参考实施例2，改变吸能层厚度，其他条件不变，制得防爆材料，测试材料的抗压强度。结果如表2。

表2不同厚度的吸能层抗压强度

由测试数据可知，吸能层的厚度过大或过小，其抗爆效果都会有所降低，厚度在20-50mm时，抗爆效果较好。

参照实施例2，改变阻隔层/吸能层的厚度比，其他条件不变制得防爆材料。测试材料的抗压强度。结果如表3所示。

表3不同阻隔层和吸能层厚度比所得材料的抗压强度

(3)支撑层和反射层的优化：

参考实施例2，分别改变支撑层和反射层的厚度，其他条件不变，制得防爆材料，测试材料的抗压强度。结果分别如如表4、表5所示。

表4不同厚度的反射层抗压强度

由表4可知，反射层在4-15mm范围内的抗压强度均得到改善，尤其是6-10mm时抗压效果更佳。

表5不同重量占比的支撑层抗压强度

由表5可知，反射层在4-57mm范围内的抗压强度均得到改善，尤其是15-20mm时抗压效果更佳。

对照例1：

参考实施例1，选用尺寸大小为400mm×400mm×102mm、龄期为28d的C80混凝土，密度为2.4g/cm³，其他测试条件一致，测得抗压强度为35.48Mpa，结果发现其变形能力差，墙后个别点超压峰值较大，应力分布不集中，在受到爆炸冲击波时容易被震碎，防爆效果较差。由此可知，与混凝土防爆墙相比，本发明在重量降低38.7％的同时，背板处的爆炸抗压强度降低了33.54％。说明了本发明不仅可以实现轻质化、显著的降低爆炸荷载作用时的动力放大效应，还可以有效实现防爆效果。

对照例2：

参照实施例1，省略阻隔层Ⅱ，其他条件不变，制备得到上下面板分别为铝合金和碳纤维复合材料，芯层为聚氨酯泡沫的三明治结构的防爆材料，测试方法与实施例1相同，测试显示，其迎爆面(反射层)破坏程度要大于实施例1，泡沫铝压缩量增大，变形相对较大，下面板处测得的抗压强度是42.15MPa，去掉了阻隔层材料，阻隔爆炸冲击波的能力防爆效果较差。

对照例3：

参考实施例2，将四层结构全部替换成钢板，钢板之间用钢钉直接叠加固定，在每层钢板后侧中心放置一个PVDF压电传感器，共四个，发现抗压强度差距不大，说明钢板对爆炸冲击波的缓冲阻隔作用并不明显，下面板的抗压强度都能达到54.36MPa，并且钢板受损较为严重，损伤情况大多是难以回复的凹坑，可重复利用率低。

对照例4：

目前较好的防爆材料在防爆墙方面大多实现了“隔”、“耗”、“快”的防爆要求，“隔”主要体现在防爆墙能为墙后目标起到一定的阻隔屏蔽作用，防止汽车炸弹等接近目标爆炸。“耗”主要体现在防爆墙能通过塑性大变形来吸收大量爆炸能量，减轻冲击波对墙后防护目标的破坏效应，本发明在各方面都实现了这三点要求，具有建设性意义。

已是钢有报道的三明治结构防爆材料，即采用两层高强度薄面板和轻质厚型芯层：常见的上下薄面板板、轻质芯层是泡沫铝材料，在三明治结构的背板中心部位放置一个PVDF传感器，测量它的抗压强度，测得的抗压强度为34.76MPa，防爆效果较差，并且该层材料受到较大的破坏后，面板容易受损，导致其产生的碎片引起二次破坏。

Claims (10)

1.一种防爆材料，其特征在于，所述防爆材料由反射层、阻隔层、吸能层和支撑层组成；所述阻隔层和支撑层是利用纤维增强复合材料进行填充，所述阻隔层与吸能层的厚度比为(15-40)：(10-60)。

2.根据权利要求1所述的防爆材料，其特征在于，所述阻隔层的厚度为15-60mm。

3.根据权利要求1或2所述的防爆材料，其特征在于，所述阻隔层重量占防爆材料总重量的质量份数为15％-50％。

4.根据权利要求1～3任一所述的防爆材料，其特征在于，所述防爆材料中的吸能层的厚度为10-60mm。

5.根据权利要求1或4所述的防爆材料，其特征在于，所述吸能层重量占防爆材料重量的质量分数为5％-20％。

6.根据权利要求1～5所述的防爆材料，其特征在于，所述反射层占防爆材料总重量的质量份数为15％-35％。

7.根据权利要求1～6任一所述的防爆材料，其特征在于，所述支撑层的厚度为5-60mm。。

8.根据权利要求1～7任一所述的防爆材料，其特征在于，所述防爆材料是利用反射层、阻隔层、吸能层、支撑层利用接面层材料依次连接而成。

9.一种防爆墙，其特征在于，所述防爆墙中包含权利要求1～8任一所述的防爆材料。

10.权利要求1～8任所述的防爆材料在应急防爆领域中的应用。