多层复合吸能材料制造技术

本实用新型专利技术提供了多层复合吸能材料及其制备。所述多层复合吸能材料，依次由防护金属板I、高强聚脲涂层、超高分子量聚乙烯板、闭孔泡沫铝和能量处理层组成；相邻各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接。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。高强度弹簧的一端固定在粘弹性阻尼层I中，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。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。本实用新型专利技术所述的多层复合吸能材料，不但大大提高了吸能效率，而且克服了传统结构一次性防护的缺点，提高利用率。

【技术实现步骤摘要】
多层复合吸能材料
本技术属于材料领域，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。
技术介绍
近年来，随着武器装备技术的迅速发展，其破坏能力大幅度提高。如何有效防护建筑、运载工具等结构的完整性，将爆炸的破坏程度控在一定范围内，使爆炸所带来的破坏最小化是问题的关键。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，专利技术专利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，该专利技术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。作为目前常用的吸能材料，泡沫铝的吸能原理是通过泡沫空腔的破坏以达到防护效果；但当材料受集中荷载作用时，则发生集中变形而导致无法充分发挥吸能效果。超高分子量聚乙烯板是一种轻质高强材料，能够有效抵抗外界荷载造成的大变形，但其吸能性能较弱。现有吸能材料中多种材料复合时，多为刚性复合，在冲击荷载、爆炸荷载等高应变率荷载作用下易发生脆性破坏，防护结构分离，从而大幅度降低吸能材料的吸能效果。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。
技术实现思路
针对现有技术中吸能材料所存在的问题，本技术提供了多层复合吸能材料。所述多层复合吸能材料不仅实现了同等防护等级下的轻量化，而且克服了传统结构一次性防护的缺陷，大幅度提高了被防护结构的安全性。本申请的技术方案：多层复合吸能材料，依次由防护金属板I、高强聚脲涂层、超高分子量聚乙烯板、闭孔泡沫铝和能量处理层组成；相邻所述各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接。所述的粘弹性阻尼材料采用基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料。所述粘弹性阻尼材料在高应变率下表现为弹性，在荷载作用时不发生脆性破坏。此外，所述粘弹性阻尼材料的附着力强，在高速载荷作用下实现了在不同界面间不发生剥离，保证了结构的完整性；而且在各层间发生相对滑动时发生剪切耗能，吸收部分能量，提高了吸能效果。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。所述粘弹性阻尼层I位于夹层金属板的内侧，所述粘弹性阻尼层II位于防护金属板II的内侧。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层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，且薄壁吸能管内部的粘弹性阻尼层III与外部的粘弹性阻尼层II高度相等。耗能的本质是对外荷载能量的转化和吸收，本申请利用吸能管压溃吸能、高强度弹簧与粘弹性阻尼材料的能量转化、弹性形变和高损耗因子的特点，将三者结合，实现了将塑性变形、弹性变形以及阻尼耗能充分结合，从而实现了全新的分级耗能复合抗爆防护装甲。其中，所述薄壁吸能管的高度h为能量处理层高度H的3/5；所述粘弹性阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度d均大于吸能管高度h的2/3，小于吸能管高度h的7/8。所述高强度弹簧的高度不小于薄壁吸能管高度h的1.2倍，且不大于60mm。其中，所述的粘弹性阻尼层(包括粘弹性阻尼层I、粘弹性阻尼层II和粘弹性阻尼层III)与上述的粘弹性阻尼材料相同，均采用基于聚脲改性的双组份粘弹性阻尼材料；其中A组分为异氰酸酯，所述异氰酸酯的指数R值为0.8，B组分为氨基化合物。所述粘弹性阻尼层可以有效的降低车辆在正常行驶中的振动，起到减振作用，大大提高车辆的稳定性以及车内乘车人员的舒适性。优选的是，所述粘弹性阻尼层I的厚度为10-15mm；所述薄壁吸能管的高度h为30-45mm；所述粘弹性阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度为20-40mm。其中，所述高强度弹簧的压并应力为750MPa-900MPa，所述薄壁吸能管的材质为铝合金。所述夹层金属板采用厚度为3.5-5mm的高强度抗爆合金，作为能量传递结构，受到外界激励时不但保证了复合结构的完整性，还将变形传递给下一层吸能结构。其中，所述超高分子量聚乙烯板和闭孔泡沫铝通过互相匹配的圆弧-凹槽结构连接，组成二级吸能结构；所述二级吸能结构的高度与吸能管的高度h相同。所述超高分子量聚乙烯板圆弧结构的两侧起始位置均为二级吸能结构的1/3h处，顶点位置为二级吸能结构的2/3h处。所述结构在确保超高分子量聚乙烯板和闭孔泡沫铝紧密贴合的同时，通过圆弧-凹槽结构扩大其承压面积，从而在结构发生大变形时，泡沫铝能够充分压溃从而吸收能量。超高分子量聚乙烯板可以大幅度降低冲击波对钢结构的冲击能量，达到较好的防爆效果，且可以有效抵抗侵彻。泡沫铝比刚度大、比强度高、有良好的缓冲吸能性能。当外部荷载作用于泡沫铝层时，结构受荷载作用被压缩，泡沫铝层空腔被破坏，从而吸收大量能量。此外，超高分子量聚乙烯材料模量大、质量轻，可大幅度减轻复合材料的重量，提高防护装备的机动性灵活性。其中，所述防护金属板I和防护金属板II均采用厚度为5-12mm的高强度抗爆合金。所述聚脲涂层通过喷涂工艺形成于防护金属板I的内侧，聚脲涂层的厚度为6mm。所述聚脲涂层具有一定的应变率敏感性，高应变率作用时，其具有较长的弹性阶段，弹性模量可达180MPa～260MPa。所述的聚脲涂层为A、B两组分反应而成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多层复合吸能材料，依次由防护金属板I（1）、高强聚脲涂层（2）、超高分子量聚乙烯板（3）、闭孔泡沫铝（4）和能量处理层组成；其特征在于：相邻各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接；所述能量处理层依次包括夹层金属板（5）、粘弹性阻尼层I（6）、高强度弹簧（8）、薄壁吸能管（7）、粘弹性阻尼层II（9）和防护金属板II（11）；所述高强度弹簧（8）的一端固定在粘弹性阻尼层I（6）中，所述高强度弹簧（8）的另一端通过粘弹性阻尼层III（10）固定在薄壁吸能管（7）中；所述薄壁吸能管（7）远离高强度弹簧（8）的一端固定在粘弹性阻尼层II（9）中，且薄壁吸能管（7）内部的粘弹性阻尼层III（10）与外部的粘弹性阻尼层II（9）高度相等。/n

【技术特征摘要】
1.多层复合吸能材料，依次由防护金属板I（1）、高强聚脲涂层（2）、超高分子量聚乙烯板（3）、闭孔泡沫铝（4）和能量处理层组成；其特征在于：相邻各层之间采用粘弹性阻尼材料进行连接；所述能量处理层依次包括夹层金属板（5）、粘弹性阻尼层I（6）、高强度弹簧（8）、薄壁吸能管（7）、粘弹性阻尼层II（9）和防护金属板II（11）；所述高强度弹簧（8）的一端固定在粘弹性阻尼层I（6）中，所述高强度弹簧（8）的另一端通过粘弹性阻尼层III（10）固定在薄壁吸能管（7）中；所述薄壁吸能管（7）远离高强度弹簧（8）的一端固定在粘弹性阻尼层II（9）中，且薄壁吸能管（7）内部的粘弹性阻尼层III（10）与外部的粘弹性阻尼层II（9）高度相等。


2.根据权利要求1所述的多层复合吸能材料，其特征在于：所述薄壁吸能管（7）的高度h为能量处理层高度H的3/5；所述粘弹性阻尼层II（9）和粘弹性阻尼层III（10）的厚度d均大于吸能管高度h的2/3，小于吸能管高度h的7/8。


3.根据权利要求1所述的多层复合吸能材料，其特征在于：所述粘弹性阻尼层I（6）的厚度为10-15mm；所述薄壁吸能管（7）的高度h为30-45mm；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄微波，张锐，许圣鸣，梁龙强，
申请(专利权)人：青岛理工大学，青岛沙木新材料有限公司，
类型：新型
国别省市：山东;37