非金屬?gòu)?fù)合材料抗爆性能研究

馬海洋，龍?jiān)?，劉好全，周翔，楊力，張洋溢，鐘明壽，趙長(zhǎng)嘯

(1.解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.解放軍73883 部隊(duì)，福建 南平353000)

0 引言

最難防護(hù)的爆炸危害主要有爆炸飛散物的沖擊作用、沖擊波的傳播和爆炸噪聲等對(duì)人體的傷害。然而，隨著越來(lái)越多的領(lǐng)域需要使用爆炸切割作用才能完成特定的任務(wù)，如深海救援、高空逃生等都用到了爆炸切割技術(shù)。在這些領(lǐng)域中，人員距離爆炸切割位置非常近，因此對(duì)爆炸作用的防護(hù)也越來(lái)越受到重視。

新型防護(hù)材料正是在此背景下產(chǎn)生的，使用幾種常規(guī)非金屬抗爆炸材料，通過(guò)特定的工藝，加工成為需要的防護(hù)材料，可以對(duì)爆炸產(chǎn)生的飛散物、沖擊波和噪聲進(jìn)行有效的防護(hù)，確保人員安全。

1 理論分析

防護(hù)材料設(shè)計(jì)的主要目的是使裝藥爆炸后，在近距離范圍內(nèi)不產(chǎn)生能夠?qū)θ藛T有殺傷作用的破片飛散物。根據(jù)文獻(xiàn)［1 -2］中的帶殼裝藥爆炸作用理論可得帶殼裝藥相當(dāng)于裸露裝藥的當(dāng)量

對(duì)(1)式進(jìn)行變換，得到

(2)式是對(duì)帶殼裝藥的一般化計(jì)算，式中:ω 為初始裝藥量;Qv為爆熱;r0為初始裝藥半徑;rp0為防護(hù)半徑;c 為裝藥系數(shù);b 為形狀系數(shù);r 為絕熱指數(shù)。ωe/ω表示殼體在經(jīng)過(guò)炸藥爆炸后，能量殘留量，這個(gè)比值越小表明防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的越有效。定義β =ω/ωeQv用來(lái)表示防護(hù)效率的話，那么β 越大，則防護(hù)性能越好。

γ 通常情況的值為1.4，在選定r0的情況下，決定防護(hù)效果的參數(shù)就只有c 和rp0了，對(duì)于選定的目標(biāo)而言，通常c 值也是確定的，那么僅有防護(hù)半徑rp0影響防護(hù)效果。

假設(shè)r0已確定，rp0可表示為r0的倍數(shù)，則rp0/r0為無(wú)量綱常量，根據(jù)(2)式可知，影響防護(hù)效果的參數(shù)僅為rp0/r0.

由于防護(hù)材料安裝在距離人員很近的位置上，所以通常炸藥量較少，而防護(hù)材料的質(zhì)量通常都會(huì)大于裝藥量，因此c 小于0.5.如圖1所示，c =0.5時(shí)，參數(shù)rp0/r0對(duì)防護(hù)效率的貢獻(xiàn)。隨著rp0/r0的增大，防護(hù)效率也不斷增大，如果想要得到良好的防護(hù)效果，就必須以較大的rp0作為可靠的保障。

圖1 防護(hù)效率與rp0/r0 的關(guān)系曲線Fig.1 Curve of relation between protective efficiency and rp0/r0

由于rp0的涵義包括內(nèi)部破壞型防護(hù)半徑和向外膨脹型防護(hù)半徑，故為了獲得良好的抗爆炸效果，可有以下3 種方式削弱炸藥的爆炸沖擊作用:

1)在靠近炸藥的內(nèi)部使用脆性材料，如陶瓷，通過(guò)其碎裂來(lái)消耗炸藥的能量，獲得較大的破壞型防護(hù)半徑rp0;

2)在距離爆炸中心較遠(yuǎn)的地方使用拉伸性能較好的材料，如橡膠，使炸藥爆炸后發(fā)生膨脹，獲得較大的膨脹型防護(hù)半徑rp0;

3)結(jié)合以上2 種方式，以獲得更為優(yōu)越的防護(hù)性能。

無(wú)疑方式3)是最好的防護(hù)方式，通過(guò)選擇合適的材料，使炸藥爆炸后，在防護(hù)材料中同時(shí)形成破壞型防護(hù)半徑和膨脹型防護(hù)半徑，可以取得單種材料達(dá)不到效果。此時(shí)，rp0變成了rp1，防護(hù)半徑rp1是對(duì)破壞型防護(hù)半徑和膨脹型防護(hù)半徑的等效，具體的等效關(guān)系與材料的構(gòu)成有關(guān)。

2 功能設(shè)計(jì)

防護(hù)材料是由性能各異的多種材料組成的，每種材料在防護(hù)材料中所起到的作用是不同的。炸藥爆炸會(huì)同時(shí)產(chǎn)生高溫和高壓沖擊作用，衰減沖擊波的前提是該種材料可有效的抵抗爆炸初期爆生氣體的高溫和高壓作用，因此從功能上考慮，至少應(yīng)該包括抗高溫材料、能量消耗材料、沖擊波衰減材料、抗沖擊材料。如圖2所示為防護(hù)材料的功能設(shè)計(jì)和放置順序。只有合理確定不同材料在防護(hù)材料中的順序，才能發(fā)揮材料的各自功能，使防護(hù)材料對(duì)爆炸沖擊作用有最好的防護(hù)效果。材料的第1 層的主要作用是抵抗高溫作用，同時(shí)具有一定的抗沖擊性能;第2 層應(yīng)把爆炸產(chǎn)生的徑向沖擊能量轉(zhuǎn)化為自身的環(huán)向收縮的勢(shì)能，因此應(yīng)設(shè)計(jì)為能量消耗層;第3 層應(yīng)可有效的對(duì)爆炸沖擊波進(jìn)行衰減，因此應(yīng)設(shè)計(jì)為沖擊波衰減層;第4 層應(yīng)有效的對(duì)剩余沖擊能量進(jìn)行消耗，同時(shí)確保不會(huì)形成有殺傷作用的破片飛出，因此應(yīng)設(shè)計(jì)為抗沖擊層。當(dāng)然，為了獲得更好的防護(hù)效果，還可在第3 層和第4 層之間特別增加更多的非金屬泡沫層，用來(lái)進(jìn)一步緩沖向外的沖擊作用。

圖2 防護(hù)材料功能設(shè)計(jì)和放置順序Fig.2 Design of protective material and lay order

由相關(guān)文獻(xiàn)可知，抗高溫材料可采用碳纖維，能量消耗材料可采用橡膠，沖擊波衰減材料可采用聚氨酯泡沫，抗沖擊材料可采用凱夫拉［3-19］。

3 抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)材料的綜合抗沖擊性能，依據(jù)圖2所示的功能設(shè)計(jì)和放置順序，從內(nèi)向外分別放置碳纖維布、天然橡膠、硬質(zhì)聚氨酯泡沫和凱夫拉，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防護(hù)材料結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the protective equipment

根據(jù)研究需要和前期半成品實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)防護(hù)材料的各種材料的使用進(jìn)行了調(diào)整，實(shí)際防護(hù)材料中各材料的疊加順序和厚度如圖3所示。這種防護(hù)材料的主要作用是在人員距爆炸中心較近的時(shí)候，對(duì)多個(gè)線型聚能切割器同時(shí)起爆所形成的高速飛散物和沖擊波進(jìn)行防護(hù)。因此，人為地增大了聚氨酯泡沫的厚度，使其遠(yuǎn)大于其他防護(hù)層的厚度，主要的目的就是盡可能的衰減沖擊波峰值壓力。當(dāng)然，聚氨酯泡沫在衰減沖擊波的同時(shí)，還承擔(dān)了緩沖的作用。由于此處主要是闡述綜合抗沖擊性能，因此防護(hù)材料衰減沖擊波的研究見(jiàn)后節(jié)。

3.1 防破片實(shí)驗(yàn)

圖4 防護(hù)材料綜合抗沖擊實(shí)驗(yàn)Fig.4 Comprehensive anti-shock experiment of the protective equipment

如圖4所示為綜合抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)設(shè)置和效果。圖4(a)為實(shí)驗(yàn)設(shè)置，防護(hù)材料內(nèi)設(shè)凹槽，用于放置線型聚能切割器，用螺栓固定在需要切割的鋁合金板上，切割器長(zhǎng)7 cm，線密度為0.18 g/cm，藥量為1.26 g;圖4(b)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線型聚能切割器爆炸后，防護(hù)材料形狀發(fā)生較大變化，說(shuō)明爆炸能量有較大部分被防護(hù)材料吸收。防護(hù)材料雖然變形較大，但沒(méi)有斷裂，沒(méi)有產(chǎn)生破片，防護(hù)材料落地的位置距爆炸中心的距離約為0.3 m，說(shuō)明防護(hù)材料可以有效地阻止高速破片的產(chǎn)生，且防護(hù)材料變形后飛出的距離較近，基本不會(huì)對(duì)人員形成殺傷作用。

3.2 衰減沖擊波實(shí)驗(yàn)

多孔材料，如多孔鐵、泡沫鋁和聚氨酯泡沫等材料，由于內(nèi)部存在大量孔隙，決定其不同于一般密實(shí)材料的抗沖擊壓縮特性。當(dāng)多孔材料被沖擊壓縮到與其相應(yīng)的密實(shí)材料具有相同的終態(tài)比容或壓力時(shí)，所需沖擊壓力和能量較其相應(yīng)的密實(shí)材料要高得多，材料內(nèi)部將產(chǎn)生更高的沖擊溫升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波的有效衰減［11-19］。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過(guò)壓電式傳感器接收爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)傳輸線送到電荷放大器，然后再由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集和分析，并進(jìn)行記錄。測(cè)試系統(tǒng)采用的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)由CY-YD-202 型壓電式壓力傳感器、YE5852A 型電荷放大器、TDS2024B 型數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成;數(shù)字存儲(chǔ)示波器有4 個(gè)通道，信號(hào)采集可設(shè)置為同時(shí)觸發(fā)或延遲觸發(fā)，爆炸結(jié)束后即可讀出沖擊波超壓波形圖。

為有效評(píng)估防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減效果，先進(jìn)行線型聚能切割器裸露裝藥時(shí)的沖擊波壓力測(cè)試。把測(cè)量的數(shù)據(jù)同裝上防護(hù)材料后的沖擊波測(cè)試壓力進(jìn)行對(duì)比，可得到防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減效應(yīng)。線型聚能切割器呈豎直固定在支架上，壓電式傳感器放置的高度與線型聚能切割器幾何中心的高度相同。

3.2.2 裸露裝藥實(shí)驗(yàn)

由于裸露裝藥爆炸時(shí)，線型聚能切割器殼體會(huì)產(chǎn)生速度較高的顆粒狀飛散物，如果沖擊波超壓測(cè)量傳感器放置過(guò)近的話，很容易會(huì)被這種高速的顆粒狀飛散物擊穿，從而達(dá)不到測(cè)量沖擊波壓力的目的。但是如果把沖擊波超壓測(cè)量傳感器放置過(guò)遠(yuǎn)，由于裝藥量相對(duì)較小，沖擊波會(huì)很快衰減成聲波，無(wú)法有效對(duì)沖擊波進(jìn)行測(cè)量。

為有效解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中先采取從遠(yuǎn)向近測(cè)量的方法，對(duì)沖擊波的壓力曲線進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量，大約距裝藥3 m 遠(yuǎn)的位置測(cè)量時(shí)，沖擊波信號(hào)已經(jīng)不是特別明顯，爆炸噪聲的成分較多。因此，把測(cè)量點(diǎn)定為距爆炸中心2 m 的位置處，通過(guò)改變裝藥量的方法來(lái)改變比例距離，以期探索線型聚能切割器爆炸時(shí)比例距離與沖擊波超壓峰值的關(guān)系。

盡管測(cè)點(diǎn)位置距爆炸中心均為2 m，但是由于裝藥量不同，所以其比例距離也不相同。如表1所示為裸露裝藥實(shí)驗(yàn)的線型聚能切割器的長(zhǎng)度、炸藥量和超壓情況統(tǒng)計(jì)表。典型比例位置處的沖擊波實(shí)測(cè)曲線和沖擊波超壓與比例距離的關(guān)系如圖5所示。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Tab.1 Content of experiment

圖5 典型位置壓力曲線和壓力與比例距離關(guān)系Fig.5 Curves of representative location and relation between pressure and scale distance

圖5(a)為比例距離為12.7 m/kg1/3時(shí)的壓力曲線，此時(shí)壓力曲線的形狀仍為明顯的沖擊波形狀，波峰壓力約為0.011 MPa，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)，當(dāng)沖擊波超壓Δp≤0.02 MPa 時(shí)，即使不考慮正壓作用時(shí)間，對(duì)人體也無(wú)任何殺傷作用，因此可以認(rèn)為是安全的，即把Δp≤0.02 MPa 作為安全值是比較可靠的。此時(shí)沖擊波超壓Δp =0.011 MPa，小于安全值，因此是安全的;圖5(b)為比例距離為11.5 m/kg1/3時(shí)的壓力曲線;圖5(c)為比例距離為10 m/kg1/3時(shí)的壓力曲線。從波形形狀上看，這2 個(gè)比例距離上的沖擊波波形與圖5(a)的沖擊波波形基本相同，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)具有相似性，其真實(shí)性可以復(fù)制，實(shí)驗(yàn)基本反映了沖擊波超壓與比例距離的關(guān)系。但圖5(c)的沖擊波峰值壓力已經(jīng)超過(guò)了所定義的安全值，因此在比例距離小于10 m/kg1/3時(shí)，可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。3 個(gè)典型比例位置處所測(cè)的沖擊波曲線均有2 個(gè)波峰，在第2 個(gè)波峰后逐漸衰減為聲波波形。第2 個(gè)波峰產(chǎn)生的原因是由于在爆炸中心的后部有1 塊鋼板，是初始沖擊波在鋼板上反射后經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)所形成的。在爆炸中心的后部放置1 塊鋼板的主要目的是考察初始沖擊波反射后的峰值會(huì)不會(huì)增大，是否可能會(huì)對(duì)人體造成一定程度的損害。鋼板距爆炸中心的距離約為0.5 m，從實(shí)測(cè)的反射波峰值來(lái)看，盡管經(jīng)過(guò)鋼板的反射，但是由于反射波經(jīng)過(guò)了比直接入射波更長(zhǎng)的距離，其峰值已經(jīng)衰減到低于初始入射波的量值，所以只要初始入射波是安全的，則反射波仍然是安全的;圖5(d)為直接入射波峰值與比例距離的關(guān)系。與文獻(xiàn)［2］所描述的沖擊波超壓與比例距離關(guān)系不同的是，當(dāng)比例距離處于9 m/kg1/3≤≤12 m/kg1/3范圍內(nèi)的時(shí)候，呈線性關(guān)系。而當(dāng)≤15 m/kg1/3時(shí)，文獻(xiàn)［2］給出的關(guān)系式基本上是呈3 次方或2 次方的多項(xiàng)式關(guān)系。

盡管裝藥裸露爆炸實(shí)驗(yàn)的目的是為了衡量防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減效應(yīng)，但是所得出的結(jié)論卻為裸露裝藥爆炸提供了一個(gè)計(jì)算安全區(qū)域的方法。同時(shí)也表明，在小裝藥情況下，沖擊波超壓與比例距離的關(guān)系，不再單純的依照傳統(tǒng)的多項(xiàng)式關(guān)系，而是滿足線性關(guān)系。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可得如下關(guān)系式:

3.2.3 防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減效應(yīng)

為與切割器裸露爆炸的沖擊波峰值壓力進(jìn)行對(duì)比，對(duì)防護(hù)材料采取上下8 個(gè)長(zhǎng)約7 cm 的線型聚能切割器同時(shí)起爆和上下4 個(gè)長(zhǎng)約7 cm 的線型聚能切割器同時(shí)起爆，測(cè)試在相同的點(diǎn)處沖擊波峰值壓力的衰減情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置和實(shí)測(cè)的沖擊波壓力如表2所示。

表2 防護(hù)裝置衰減沖擊波效果實(shí)驗(yàn)Tab.2 Attenuation effect of shock wave by protective equipment

采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得的(3)式計(jì)算，在相同的比例距離下裸露裝藥爆炸時(shí)的壓力。由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)8 個(gè)切割器同時(shí)起爆的時(shí)候，由于其比例距離超出擬合公式的適用范圍，因此數(shù)據(jù)不具有嚴(yán)格意義上的可比性。當(dāng)4 個(gè)切割器同時(shí)起爆的時(shí)候，比例距離處于擬合公式的適用范圍內(nèi)，因此可以用擬合公式計(jì)算沒(méi)有防護(hù)材料時(shí)該點(diǎn)的沖擊波峰值壓力。

如表2所示的數(shù)據(jù)可知，4 個(gè)線性聚能切割器同時(shí)爆炸時(shí)(表中第2 欄的數(shù)據(jù))，即總長(zhǎng)度為28 cm時(shí)，沒(méi)有防護(hù)材料時(shí)，沖擊波峰值壓力為0.014 3 MPa，而在有防護(hù)材料處，沖擊波壓力為0.004 5 MPa，僅為無(wú)防護(hù)材料時(shí)沖擊波峰值的31.5%，沖擊波峰值的壓力衰減了68.5%.由此可見(jiàn)，防護(hù)材料對(duì)沖擊波的衰減是顯著的，可滿足少量裝藥爆炸時(shí)對(duì)沖擊波防護(hù)的需要。

4 噪聲防護(hù)實(shí)驗(yàn)

爆炸噪聲是炸藥爆炸后，沖擊波衰減形成的一種聲波，是指各種不同頻率、不同強(qiáng)度的聲音無(wú)規(guī)律的組合在一起所形成的聲音。沖擊波強(qiáng)度逐漸下降變成噪聲和亞聲，關(guān)于爆炸噪聲的定義，日本有學(xué)者解釋為沖擊波壓力小于180dB 時(shí)為聲壓［20］。

爆炸噪聲會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害作用，它主要是使人體產(chǎn)生不愉快的感覺(jué)，妨礙日常生活。在100 dB 下長(zhǎng)期工作，聽(tīng)力會(huì)減弱。當(dāng)噪聲大于130 dB，即使持續(xù)時(shí)間很短，也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。國(guó)家勞動(dòng)總局和衛(wèi)生部1980年公布的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在持續(xù)時(shí)間約為30 s 時(shí)，噪聲的最高上限為120 dB，但是爆炸噪聲為間歇性的，因此小于140 dB是安全的［20］。出于保守的安全考慮，本文仍把130 dB作為安全上限，小于該值的均認(rèn)為是安全的。

空氣中爆炸噪聲的級(jí)別一般使用聲壓計(jì)測(cè)量，共采用2 臺(tái)聲壓計(jì)，分別放置在距爆炸中心10 m 和15 m 距離上，具體實(shí)驗(yàn)條件如表3所示。

采用與上節(jié)相同的切割器和防護(hù)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)行無(wú)防護(hù)材料的噪聲測(cè)試，后進(jìn)行有防護(hù)材料的噪聲測(cè)試。在藥量相同的情況下，切割器裸露爆炸時(shí)，距離爆炸中心10 m 時(shí)，聲壓級(jí)為142 dB，距爆炸中心為15 m 時(shí)，聲壓級(jí)為136 dB.當(dāng)裝上防護(hù)材料時(shí)，在相同的距離上聲壓級(jí)分別為117 dB 和95 dB.通過(guò)噪聲實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有防護(hù)材料時(shí)，爆炸噪聲超出安全上限，當(dāng)加上防護(hù)材料時(shí)，爆炸噪聲有較大幅度下降，均低于安全值，說(shuō)明防護(hù)材料對(duì)噪聲的防護(hù)是有效的。

表3 噪聲實(shí)驗(yàn)Tab.3 Experiment of noise

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于近人爆炸危害效應(yīng)的防護(hù)，在選擇合適的rp0方面，應(yīng)從人員的安全性方面考慮，選擇破壞型防護(hù)半徑和膨脹型防護(hù)半徑同時(shí)作為減弱沖擊作用的主要參數(shù);

2)防護(hù)材料的性能各異，應(yīng)根據(jù)每種材料自身的特色，承擔(dān)相應(yīng)功能，合理確定在防護(hù)材料中的位置，才能獲得良好的防護(hù)效果;

3)衰減沖擊波和爆炸噪聲的前提是防護(hù)材料能夠確保爆炸后不會(huì)產(chǎn)生有殺傷作用的高速飛散物;

4)聚氨酯泡沫同其他多孔材料相比，由于是非金屬，形成高速飛散顆粒的可能性較小，適于作為衰減爆炸沖擊波和噪聲的材料;

5)實(shí)驗(yàn)表明該種防護(hù)材料不但可有效地衰減爆炸沖擊波，對(duì)爆炸噪聲也有較好的防護(hù)效果;

6)根據(jù)實(shí)際需要，可增加聚氨酯的厚度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸沖擊波和噪聲更為有效的防護(hù)。

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