一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构
阅读说明：本技术 一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构 (High-toughness fiber-reinforced foamed aluminum gradient anti-explosion composite structure ) 是由 刘雄飞 王楠 郝逸飞 和西民 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明为一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构,属于防护结构技术领域。该复合结构,它包含中间层的泡沫铝梯度层,并在泡沫铝层的两侧分别对称粘贴对位芳纶纤维复合板层,夹芯层和面层之间采用胶接制备而成。基于面层大变形特性将爆炸冲击荷载引起的面内均布拉载荷,结合芯层梯度结构主要承担由面层均布荷载引起的剪应力,形成“三明治”式的梯度抗爆耗能复合结构。本发明研制出轻质梯度高强抗爆防护面板结构,解决了军方临时性营地人员与设备抗爆应急防护问题,避免对人员与设施造成损伤与破坏。(The invention relates to a high-toughness fiber-reinforced foamed aluminum gradient anti-explosion composite structure, and belongs to the technical field of protective structures. The composite structure comprises a foamed aluminum gradient layer in a middle layer, para-aramid fiber composite board layers are symmetrically adhered to two sides of the foamed aluminum layer respectively, and the sandwich layer and the surface layer are prepared by glue joint. Based on the large deformation characteristic of the surface layer, tensile loads are uniformly distributed in the surface caused by the explosion impact load, and the sandwich-type gradient antiknock energy-consumption composite structure is formed by mainly bearing the shear stress caused by the uniformly distributed loads of the surface layer by combining the gradient structure of the core layer. The invention develops a light gradient high-strength anti-explosion protection panel structure, solves the anti-explosion emergency protection problem of temporary camp personnel and equipment in the military and avoids the damage and destruction to personnel and facilities.)
技术领域
本发明属于防护结构技术领域。具体为一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构。
背景技术
爆炸冲击荷载作用是由恐怖爆炸袭击或者易燃材料爆炸产生，爆炸过程中产生一种强压缩波，在有限的空间和极短的时间内对军事作战人员及设备造成极其严重的危害。现代枪械、导弹等热武器快速发展和易燃易爆环境的安全隐患，对执勤中的我军人员与设备造成严重的安全威胁，快速构筑具备足够抗打击能力的临时性防御工事具有迫切的需求。
目前的抗爆复合结构种类较多，常见的有普通高强混凝土、钢结构等。这些抗爆复合结构虽也有一定的防爆效果，但都存在着抗爆能力不高、单体重量大、成本高、耐久性相对较差等问题，而用普通的工程材料板对建筑内外墙进行防爆加固不仅要求的板材厚度或体积很大、施工用料多等问题，而且防爆效能很低。因此，在军队、公共防护中难以形成真正的实用化推广应用。
目前，常见的轻质面板大都是以泡沫铝作为内芯，以刚度较大的金属板(如钢板、铝板)或者碳纤维增强复合材料(CFRP)组合，金属板的高自重和CFRP的脆性破坏形态极大降低复合结构的抗爆性能，均匀的泡沫材料无法有效逐步缓冲吸收爆炸能。
现今存在的文献中，大都采用陶瓷面板作为复合结构的面层，而陶瓷面板自重、脆性大，并且强度较低，至今没有做出好的结果，同时只能对子弹正面接触的区域有一定的防弹效果，但是在防弹复合材料的设计中并没有考虑冲击波在自由表面反射的拉伸波也同样会对结构造成严重的破坏，缺乏爆炸和冲击侵彻共同作用下材料失效机理的系统研究，所以并不适应于抗爆结构设计。
发明内容
针对目前技术上的不足，本发明提供一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构，该复合结构将不同密度的泡沫铝作为夹芯层，并在梯度泡沫铝两侧粘贴对位芳纶纤维复合板，通过界面粘结剂将其与对位芳纶纤维粘结组成复合结构构成轻质防护面板，适用于对高速变形有要求的抗爆抗冲击领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构，其特征在于，该复合结构包括两张对位芳纶纤维面板、泡沫铝夹芯层，泡沫铝夹芯层由不同密度泡沫铝按密度增大的方向粘结在一起构成；所述泡沫铝夹芯层与对位芳纶纤维面板横截面形状大小完全相同，两张对位芳纶纤维面板包括上、下面板，分别采用界面粘结剂粘贴在泡沫铝夹芯层的顶面及底面。
所述泡沫铝夹芯层的厚度不超过90mm，优选厚度为20-40mm，不同密度的泡沫铝的厚度均相同，每层泡沫铝的厚度不超过30mm，泡沫铝的密度≤0.55g/cm3。
所述泡沫铝的厚度为8mm～30mm，优选厚度为10-20mm，密度在0.25～0.55g/cm3范围内变化。
泡沫铝夹芯层中不同密度泡沫铝的数量为三，三层泡沫铝的密度取值区间分别是：0.25-0.3g/cm3，0.3-0.4g/cm3、0.4-0.5g/cm3。
对位芳纶纤维面板由对位芳纶纤维按照纤维和纤维粘结剂粘结的方式组合构成对位芳纶纤维复合材料，对位芳纶纤维复合材料拉伸强度为3.0～5.5GPa，弹性模量为80～160GPa,断裂伸长率为5％左右，纵向热膨胀系数为-4×10-6～-2×10-6℃-1，横向热膨胀系数为5.9×10-5℃-1。
对位芳纶纤维复合材料的编织方式包括二维和/或三维编织方式，规格为100-300D；纤维粘结剂选用高强环氧树脂胶和韧性环氧树脂胶两种，高强环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为49.2MPa和0.99％，韧性环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为10.4MPa和47.2％；纤维与树脂之间相对含量体积比0.4-1.0。
所述界面粘结剂包括环氧树脂E-51、环氧树脂E-44、固化剂TJ-500、稀释剂501、消泡剂A530、硅烷偶联剂KH-560、硅微粉400目、增韧剂D-400和增韧剂D2000，各成分重量配比为：环氧树脂E-51：环氧树脂E-44：固化剂TJ-500：稀释剂501：消泡剂A530：硅烷偶联剂KH-560：硅微粉400目：增韧剂D-400：增韧剂D2000＝70：30：25：15：0.7：1.75：180：6：3。
和现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明由对位芳纶纤维制成的上、下面板和中间轻质多孔泡沫铝芯体通过界面粘结剂复合构成的一种新型轻质、复合结构。其具有以下几个优点:
1)泡沫铝夹板层轻质，所用的泡沫铝的厚度≤30mm，密度≤0.55g/cm3，泡沫铝的相对密度较低，孔隙率为65％～90％的泡沫铝的密度为0.25g/cm3～0.55g/cm3，以泡沫铝为芯体的泡沫铝夹层板同样具有轻质的特性。泡沫铝夹芯层的比强度较高，即其可承受的重量能够达自重的60倍以上。当泡沫铝夹芯板发生弯曲变形时，具有的抗弯刚度大约为钢材的1.5倍；泡沫铝夹芯不具有密实金属那样延展性，在较强冲击下，芯体泡沫铝的孔结构没有产生破坏时，不会产生变形，在较厚的泡沫铝夹芯层下，抗爆性能优异。
2)本发明在两层对位芳纶纤维层之间设置三层不同孔隙泡沫铝层，构成轻质梯度抗爆防护面板结构，利用泡沫铝的大变形吸能能力，通过不同密度泡沫铝构筑的梯度结构来逐步耗散大量的爆炸能。爆炸载荷传递到夹芯结构的前面板，前面板瞬间获得了一个初始冲击速度，而中间夹芯层和结构背板则保持静止状态。中间泡沫铝夹芯层被压缩发生塑性变形从而吸收大量的冲击能量，而背板保持不动。当面板的变形和夹芯层的压溃完全消耗爆炸能时，背板(对位芳纶纤维层)不发生变形，而当爆炸冲击能不能完全被前两者吸收时，背板亦通过自身的弯曲变形消耗能量。既保证了复合抗爆结构的防爆性能，又极大地降低了复合抗爆结构的整体质量，兼顾了抗爆和轻质的要求。
3)本发明通过以对位芳纶纤维为面板、以梯度泡沫铝为夹芯复合在一起形成三明治结构，与单纯的泡沫铝相比，承载能力更强，该复合结构可充分发挥梯度泡沫金属和吸波涂层的吸波性能，吸波性能更强。在电磁波高频区能够使电磁干扰降低80％以上，可以用在电磁屏蔽室、无线电录音室、电磁屏蔽等场合。
4)本发明轻量化、可设计性强、含量精确可控、制品厚度及纤维体积分数可控、制品质量稳定、制品质量一致性与可靠性高等,此外还具有成型工艺简单、性能远远高于传统玻璃钢与金属材料等优点，质量轻、强度高、环保，可在满足材料性能要求的前提下实现轻量化,具有极大的应用潜力与市场价值。
5)本发明一种高韧性增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构综合考虑了爆炸载荷和冲击侵彻载荷对材料破坏失效的影响，并且复合泡沫铝结构在较高速度的冲击作用下力学性能得到了充分的发挥。材料的峰值应力随着落锤初始冲击速度的增加有所提高，应力峰值由99MPa提升为135MPa，提高了35.6％，复合泡沫铝结构在较高速度的冲击作用下力学性能得到了充分的发挥；复合泡沫铝的能量峰值由76J提升到185J，是前者的2.4倍，在不同落锤速度下能量峰值有大幅度提高。
6)本发明复合结构充分分析了材料参数和环境影响参数(界面粘结剂种类、粘结性能的不同)对轻质面板的强度、韧性和抗爆性能的影响，考虑对位芳纶纤维不同编织方式及其与粘结剂的相对含量比，考虑多层次、多机理吸能原理等多方面的因素，研制出轻质梯度高强抗爆防护面板结构，探明了轻质面板的动态响应和冲击损伤机理。选择强度各向异性度最小的编织方式及其协同满足最佳抗拉强度与变形能力参数条件，获得质量轻吸收性能好、抗爆、防弹性能优异的复合结构。本发明选择具有优异的热稳定性、高结晶性、高取向结构、高拉伸性能、低密度等优良性能的对位芳纶纤维作为面板，该材料与泡沫铝夹芯层协同作用，能充分发挥泡沫铝的吸能缓冲特性，并有效地衰减爆炸冲击波，效果显著。
附图说明
图1是本发明抗爆复合结构不同密度梯度泡沫铝材料的实物断面结构图；
图2是本发明的一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构三组成部分示意；
图3是实施例1中落锤速度为4m/s泡沫铝夹芯层的应力-应变曲线图；
图4是实施例1中落锤速度为6m/s泡沫铝夹芯层的应力-应变曲线图；
图5是实施例1中泡沫铝夹芯层4m/s冲击吸能时程曲线图；
图6是实施例1中泡沫铝夹芯层6m/s冲击吸能时程曲线图；
图7是实施例2中落锤速度为4m/s普通粘结剂泡沫铝夹芯层的应力-应变曲线图；
图8是实施例2中落锤速度为6m/s普通粘结剂泡沫铝夹芯层的应力-应变曲线图；
图9是实施例2中普通粘结剂泡沫铝夹芯层4m/s冲击吸能时程曲线图；
图10是实施例2中普通粘结剂泡沫铝夹芯层6m/s冲击吸能时程曲线图。
具体实施方式
下面结合实例进一步解释本发明，但并不以此作为本申请保护范围的限定。
本发明一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构，该结构由两张对位芳纶纤维面板(同时具有防爆和防弹作用)、泡沫铝夹芯层组成，所述泡沫铝夹芯层为相同厚度不同密度的多层泡沫铝组成的梯度结构，泡沫铝夹芯层与对位芳纶纤维面板横截面形状大小完全相同，泡沫铝夹芯层由不同密度泡沫铝按密度增大的方向粘结在一起构成，所述两张对位芳纶纤维面板包括上、下面板，分别采用界面粘结剂粘贴在泡沫铝夹芯层的顶面及底面，形成轻质高强防护面板结构。
泡沫铝：厚度为10mm～30mm，密度为0.25～0.55g/cm3，孔隙率：63％～90％，孔径:0.3～7mm。
对位芳纶纤维面板由对位芳纶纤维复合材料制成，对位芳纶纤维复合材料：编织方式包括二维和/或三维编织方式，规格为100D-300D，如100D、200D或300D；纤维粘结剂选用高强环氧树脂胶和韧性环氧树脂胶两种，高强环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为49.2MPa和0.99％，韧性环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为10.4MPa和47.2％；纤维与树脂之间相对含量体积比为0.4-1.0，如0.4、0.6、0.8和1.0。组合成对位芳纶纤维复合材料拉伸强度为3.0～5.5GPa，弹性模量为80～160GPa,断裂伸长率为3％左右，纵向热膨胀系数为-4×10-6～-2×10-6℃-1，横向热膨胀系数为5.9×10-5℃-1。
界面粘结剂：由环氧树脂(E-51、E-44)、固化剂TJ-500、稀释剂501、消泡剂A530、硅烷偶联剂KH-560、硅微粉400目、增韧剂D-400、增韧剂D2000构成，所述粘结剂各成分重量配比为：环氧树脂E-51：环氧树脂E-44：固化剂TJ-500：稀释剂501：消泡剂A530：硅烷偶联剂KH-560：硅微粉400目：增韧剂D-400：增韧剂D2000＝70：30：25：15：0.7：1.75：180：6：3。
实施例1
本实施例一种高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆耗能复合结构的组成是：
泡沫铝：每层厚度为10㎜，密度为0.25～0.55g/cm3,孔隙率：63％～90％，孔径:0.3～7mm。多层泡沫铝的密度依次为0.26g/cm3，0.38g/cm3、0.44g/cm3，本实施例中共三层，更轻，能够避免粘结过多，保证抗爆效果。
对位芳纶纤维复合材料：编织方式包括二维和三维编织方式，对位芳纶纤维的规格为100D；纤维粘结剂选用高强环氧树脂胶和韧性环氧树脂胶两种，高强环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为49.2MPa和0.99％，韧性环氧树脂胶的极限拉应力和断裂应变分别为10.4MPa和47.2％；纤维与树脂(高强环氧树脂胶和韧性环氧树脂胶)之间相对含量体积比0.8。组合成对位芳纶纤维复合材料拉伸强度为4.5GPa，弹性模量为102GPa,断裂伸长率为3％左右，纵向热膨胀系数为-3.4×10-6，横向热膨胀系数为5.9×10-5℃-1。
界面粘结剂：由环氧树脂(E-51、E-44)、固化剂TJ-500、稀释剂501、消泡剂A530、硅烷偶联剂KH-560、硅微粉400目、增韧剂D-400、增韧剂D2000构成，所述粘结剂各成分重量配比为：环氧树脂E-51：环氧树脂E-44：固化剂TJ-500：稀释剂501：消泡剂A530：硅烷偶联剂KH-560：硅微粉400目：增韧剂D-400：增韧剂D2000＝70：30：25：15：0.7：1.75：180：6：3。
其制备方法是：该结构是由两张对位芳纶纤维面板、一张泡沫铝面板组成，所述泡沫铝面板与对位芳纶纤维面板横截面形状大小完全相同，沿厚度方向将不同孔隙率泡沫铝按密度增大的方向布置，制备成不同密度的多层泡沫铝结构，所述两张对位芳纶纤维面板包括上、下面板，分别采用粘结剂粘贴在泡沫铝夹芯层的顶面及底面，形成轻质高强防护面板结构。
下面结合具体试验说明本申请复合结构的防爆和抗冲击性能。
试验分为2组：组1落锤的初始速度为4m/s，组2落锤的初始速度为6m/s。其余各组分和制备过程、施工方法均相同。
试验采用摆锤式冲击试验，设置不同加载速率(即摆锤高度和质量)，参照《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》(GB8167-87)采用摆锤式冲击试验测定复合结构的冲击吸能时程曲线和采用应变仪和高速摄像机记录获得应力-应变曲线，从而可看出复合材料变形和受力过程。落锤速度为4m/s和6m/s泡沫铝夹芯结构的应力-应变曲线图参见图3和图4，对比不同落锤初始速度下的泡沫铝夹芯结构的冲击应力-应变曲线可知，材料的峰值应力随着落锤初始冲击速度的增加有所提高，应力峰值由99MPa提升为135MPa，提高了35.6％。说明复合泡沫铝结构在较高速度的冲击作用下力学性能得到了充分的发挥，适用于对高速变形有要求的抗爆抗冲击领域。
图5和图6是泡沫铝夹芯层4m/s和6m/s冲击吸能时程曲线图：对比不同落锤初始速度下的曲线可知，复合泡沫铝的吸能能力随着冲击速度的增加而增强，在4m/s的冲击速度下，复合泡沫铝的能量峰值为76J，在6m/s的冲击速度下，复合泡沫铝结构的能量峰值为185J，是前者的2.4倍。
实施例2
本实施例中各材料组成及制备方式均同实施例1，不同之处在于，本实施例中界面粘结剂选择常规环氧树脂胶(环氧树脂E44和聚酰胺树脂650构成)，其他条件不变。
试验分为2组：组1落锤的初始速度为4m/s，组2落锤的初始速度为6m/s。其余各组分和制备过程、施工方法均相同。采用摆锤式冲击试验，设置不同加载速率(即摆锤高度和质量)，参照《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》(GB8167-87)采用摆锤式冲击试验测定复合结构的冲击吸能时程曲线和采用应变仪和高速摄像机记录获得应力-应变曲线，从而可看出复合材料变形和受力过程。
图7和图8是落锤速度为4m/s和6m/s普通粘结剂泡沫铝夹芯结构的应力-应变曲线图，对比不同落锤初始速度下的泡沫铝夹芯结构与普通粘结剂泡沫铝夹芯结构的冲击应力-应变曲线可知，在4m/s的冲击速度下，普通粘结剂泡沫铝夹芯层的应力峰值比实施例1的复合泡沫铝夹芯层的应力峰值下降了11.1％；在6m/s的冲击速度下，普通粘结剂泡沫铝夹芯层的应力峰值比实施例1的复合泡沫铝夹芯层的应力峰值下降了21.5％。说明实施例1的复合泡沫铝结构与普通粘结剂泡沫铝夹芯结构相比，本发明更适用于对高速变形有要求的抗爆抗冲击领域。
图9和图10是普通粘结剂泡沫铝夹芯层4m/s和6m/s冲击吸能时程曲线图，由上图可以看出，普通粘结剂泡沫铝夹芯层与实施例1的复合泡沫铝夹芯层相比，在4m/s的冲击速度下，普通粘结剂泡沫铝夹芯层的能量峰值比本发明复合泡沫铝夹芯层的能量峰值下降了10.5％；在6m/s的冲击速度下，普通粘结剂泡沫铝夹芯层的能量峰值比实施例1的复合泡沫铝夹芯层的能量峰值下降了13.6％。故实施例1与实施例2相比，在不同落锤速度下能量峰值有大幅度提高，更适合应用于抗爆耗能结构中。
实验结果可以明显的看出：在专利要求范围内，复合泡沫铝在较高应变率下的屈服强度和抗压强度均有较大幅度的提高，并且冲击速度越大，吸能能力越得到充分发挥。本发明复合结构为一种有效、简单的抗爆耗能复合结构，可以推广使用。
本发明采用的梯度泡沫铝与对位芳纶纤维复合板的组合在爆炸能的冲击作用下，基于外侧对位芳纶纤维复合板的超高强度与韧性，将爆炸冲击与破片侵彻作用转化为分布荷载，通过不同密度泡沫铝构筑的梯度结构来逐步耗散大量的爆炸能。若发生贯穿外侧对位芳纶纤维复合板与泡沫铝的情况，其残余动能由内侧的对位芳纶纤维复合板完全吸收。本发明将泡沫铝和对位芳纶纤维结合形成“三明治”状的组合结构，即以对位芳纶纤维作为面层，以泡沫铝作为芯材，通过界面粘结剂将二者组合成夹层板，夹芯材料与板材间牢固的连接效果是制备高性能泡沫铝夹芯材料的关键，使其既具有一定的强度和刚度，能作为承受使用荷载的结构构件使用，又能发挥泡沫铝的缓冲吸能特性，有效地衰减爆炸冲击波，这种新型的以泡沫铝为芯板的夹板层造价合理，施工安装便捷，在工程结构抗爆领域具有很大的应用前景。
本发明未述及之处适用于现有技术。
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