爆炸沖擊傷發(fā)生機(jī)制及防護(hù)材料研究進(jìn)展

摘要： 爆炸沖擊傷是我國(guó)面臨的重大公共衛(wèi)生問題，呈現(xiàn)高發(fā)、群發(fā)、難防的特點(diǎn)，并且危重傷多，感染發(fā)生率高，診治難度大。對(duì)爆炸沖擊傷施以有效的防護(hù)勝過任何最可靠的救治。爆炸沖擊傷防護(hù)是涉及醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、爆炸沖擊力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜問題，需要建立起爆炸沖擊波傳播、傷情評(píng)估、材料設(shè)計(jì)制備及材料衰減性能評(píng)測(cè)等方面的關(guān)系?；诖耍疚膹谋_擊波的產(chǎn)生、傳播及爆炸沖擊傷的發(fā)生機(jī)制出發(fā)，介紹了肺部、顱腦爆炸傷致傷機(jī)制，給出了不同程度的肺部、顱腦沖擊傷的損傷力學(xué)指標(biāo)，并系統(tǒng)地綜述了爆炸沖擊傷防護(hù)材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，討論了不同材料的防護(hù)機(jī)理，重點(diǎn)針對(duì)目前廣泛使用的爆炸沖擊波防護(hù)材料，如多孔材料、水凝膠、聚脲等進(jìn)行綜述。此外，針對(duì)防護(hù)材料衰減爆炸沖擊波性能評(píng)估方法不統(tǒng)一的問題，對(duì)材料衰減爆炸沖擊波性能，如生物評(píng)估法、引線測(cè)試法等評(píng)估方法進(jìn)行了全面的調(diào)研并分析了各種評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后展望了在爆炸沖擊波防護(hù)性能評(píng)測(cè)、動(dòng)物爆炸沖擊傷傷情和材料防護(hù)性能與人員防護(hù)之間的尺度關(guān)系、材料力學(xué)指標(biāo)與防護(hù)性能之間的關(guān)系等方面的發(fā)展趨勢(shì)。本文可為人員爆炸沖擊傷防護(hù)材料的設(shè)計(jì)制備、應(yīng)用和測(cè)試提供技術(shù)、理論參考。

關(guān)鍵詞： 爆炸沖擊傷；發(fā)生機(jī)制；防護(hù)；材料

中圖分類號(hào)： O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

爆炸的主要致傷因素是爆炸過程中產(chǎn)生的破片、沖擊波和瞬時(shí)高溫。針對(duì)爆炸過程中產(chǎn)生的破片對(duì)人員的致傷機(jī)制和防護(hù)研究已較成熟，主要致傷機(jī)制包括破片直接損傷、破片的壓力波致傷、空腔效應(yīng)和遠(yuǎn)達(dá)效應(yīng)等[1-2]?；诖碎_發(fā)了一系列的防護(hù)材料，如高性能陶瓷和高強(qiáng)纖維等，其主要的防護(hù)策略是通過材料阻止破片的侵徹實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的保護(hù)[3]。爆炸產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫是燒傷的致傷因素，雖然爆炸產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫可達(dá)數(shù)千攝氏度，但瞬時(shí)高溫的持續(xù)時(shí)間僅為毫秒級(jí)，普通的耐高溫織物就可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)高溫的有效防護(hù)[3]。沖擊波也是爆炸過程中主要的致傷因素，沖擊波擊中人體時(shí)釋放出的能量會(huì)造成各種損傷，即爆炸沖擊傷，會(huì)導(dǎo)致肺、胃腸和鼓膜等含氣器官的損傷，同時(shí)對(duì)顱腦造成較長(zhǎng)期的影響[4]。爆炸沖擊傷是平、戰(zhàn)時(shí)面臨的重大公共衛(wèi)生問題，在平時(shí)每年因爆炸事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重。以天津港“8·12”爆炸為例，共造成1 000 余人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失68.66 億元[5]。由于作戰(zhàn)樣式的變化以及各種爆炸性武器的大量使用，爆炸沖擊傷已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中軍事人員在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)的主要傷類[1]。在最近的俄烏沖突、巴以沖突中，因爆炸沖擊波導(dǎo)致的傷亡人數(shù)占總傷亡的80%。爆炸沖擊傷呈現(xiàn)高發(fā)、群發(fā)、難防的特點(diǎn)，并且危重傷多，感染發(fā)生率高，救治難度大，死亡率高[6]。然而，與破片傷等機(jī)械性創(chuàng)傷不同的是，爆炸沖擊傷表現(xiàn)為“外輕內(nèi)重”，即無明顯外傷而內(nèi)部臟器損傷嚴(yán)重。這將導(dǎo)致傷員傷情發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、診治難度大，進(jìn)而導(dǎo)致更高的死亡率[6-7]。此外，與破片傷機(jī)制、防護(hù)材料、防護(hù)裝具研究較完備相比，目前對(duì)于爆炸沖擊傷的發(fā)生機(jī)制研究較少，并且對(duì)于防護(hù)材料的設(shè)計(jì)、爆炸沖擊波衰減評(píng)測(cè)方法等的研究仍不完善。基于此，本文中主要對(duì)爆炸沖擊傷的發(fā)生機(jī)制、防護(hù)材料的設(shè)計(jì)制備及評(píng)測(cè)等方面的研究進(jìn)展展開綜述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供技術(shù)和理論參考。

1 爆炸沖擊傷及其發(fā)生機(jī)制

對(duì)爆炸沖擊波的產(chǎn)生、傳播機(jī)制及爆炸沖擊傷發(fā)生機(jī)制的研究是開展爆炸沖擊傷防護(hù)研究的基礎(chǔ)。因此，本節(jié)中綜述了爆炸沖擊波的產(chǎn)生、傳播以及對(duì)人體不同器官的損傷機(jī)制。

1.1 爆炸沖擊波的產(chǎn)生及傳播機(jī)制

爆炸沖擊波是爆炸時(shí)能量突然釋放的物理現(xiàn)象，具有頻率高（峰值區(qū)域的頻率為2～8 kHz[8]）、頻段寬、波長(zhǎng)短（波長(zhǎng)范圍為120～200 nm[9]）的特點(diǎn)，其作用時(shí)間通常為2～10 ms[10]，爆炸瞬時(shí)的壓力急劇上升，遠(yuǎn)高于大氣壓力。正壓上升（“超壓”）壓縮周圍介質(zhì)（空氣、水等），導(dǎo)致爆炸沖擊波的傳播，然后以徑向方式向外延伸，在空氣中傳播時(shí)會(huì)形成類似雙層球形的區(qū)域，超壓之后是壓力下降和負(fù)波（“負(fù)壓”），最后回到大氣壓狀態(tài)[11-12]，爆炸沖擊波的壓力隨著傳播距離的增大而降低。此外，封閉或半封閉環(huán)境（如建筑物、巷道或車輛）附近或內(nèi)部的爆炸沖擊波強(qiáng)度可以放大2～9 倍。這是因?yàn)?，在封閉或半封閉環(huán)境中，沖擊波與周圍結(jié)構(gòu)相互作用并產(chǎn)生多次波反射，這些波反射與主波相互作用，在彼此之間產(chǎn)生復(fù)雜波，并且會(huì)導(dǎo)致沖擊波增強(qiáng)以及壓力增大[13-16]。

1.2 爆炸沖擊波的產(chǎn)生及傳播機(jī)制

爆炸沖擊傷的發(fā)生機(jī)制不同于一般的機(jī)械性創(chuàng)傷（如破片致傷），破片是以“點(diǎn)”擊中人體，而在一定范圍內(nèi)，沖擊波“超壓”和“負(fù)壓”是以“面”擊中人體。這導(dǎo)致爆炸沖擊波作用面積大，受損傷部位多。此外，與破片傷具有明顯的外表?yè)p傷不同，爆炸沖擊傷表現(xiàn)為無明顯外傷而內(nèi)部臟器損傷嚴(yán)重，即“外輕內(nèi)重”的特點(diǎn)，這將導(dǎo)致傷員傷情發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、診治難度大、致死率高。

在臨床研究中發(fā)現(xiàn)沖擊波可以導(dǎo)致人體多種器官發(fā)生損傷，如肺[17]、聽器[18]、眼[19]、顱腦[20]、心臟[21]和胃腸道[22] 等，并且損傷程度與沖擊波強(qiáng)度呈正相關(guān)。爆炸沖擊傷的主要發(fā)生機(jī)制是爆炸沖擊波的“超壓”和“負(fù)壓”直接作用于人體導(dǎo)致：（1） 血流動(dòng)力的變化，即超壓作用于體表后壓迫胸腹壁，使胸腹壓急劇增加，導(dǎo)致下腔靜脈血大量涌入心肺，造成心肺血容量急劇增加和血管損傷；（2） 不同組織的壓力差，即組織內(nèi)液體與氣體壓力變化不同導(dǎo)致壓力差，引起壓力高的液體流向壓力低的氣體，造成小血管破裂出血[23]；（3） 破裂效應(yīng)，即壓力波從較致密部位向較稀松部位傳導(dǎo)時(shí)在兩者界面上引起反射，導(dǎo)致較致密部位的壓力突然升高而損傷[24]；（4） 內(nèi)爆效應(yīng)，即“超壓”過后含氣組織被壓縮，“負(fù)壓”過后含氣組織急劇膨脹；（5） 慣性作用，即密度不同的組織受到相同的壓力作用時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度不同導(dǎo)致組織撕裂、出血[25]。除沖擊波“超壓”和“負(fù)壓”的直接致傷外，沖擊波動(dòng)壓可使人體跌倒或被拋擲造成各種機(jī)械性損傷。與肝、腎等實(shí)質(zhì)性器官相比，沖擊波造成嚴(yán)重?fù)p傷的主要“靶器官”是肺。這是因?yàn)?，肺是人體中含氣較多的組織，當(dāng)爆炸沖擊波穿過胸腔時(shí)，爆炸沖擊波主要在肺泡-空氣界面耗散動(dòng)能，導(dǎo)致肺泡的破裂、出血、氣胸[17]，肺沖擊傷是爆炸沖擊傷早期死亡的主要原因之一。沖擊波對(duì)肺臟的主要損傷機(jī)制有：（1） 內(nèi)爆效應(yīng)，即沖擊波“超壓”經(jīng)過后肺泡被壓縮，然后超壓之后的“負(fù)壓”經(jīng)過肺導(dǎo)致其快速、過度擴(kuò)張而造成損傷[26]；（2） 血流動(dòng)力效應(yīng)，即血液從腹腔大量涌入胸腔致使肺組織損傷；（3） 過牽效應(yīng)，即肺泡在經(jīng)過“負(fù)壓”時(shí)被過度拉伸，當(dāng)拉伸超過一定程度時(shí)，肺泡的上皮細(xì)胞對(duì)小溶質(zhì)的滲透壓增強(qiáng)造成肺水腫[17]。我們?cè)诓捎眯∈筮M(jìn)行爆炸沖擊傷試驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)，沖擊波擊中小鼠后，小鼠肺部有明顯的出血癥狀。沖擊波的強(qiáng)度大于350 kPa 時(shí)會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)傷者肺部的損傷，而大于550 kPa 時(shí)則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的肺損傷并且死亡率明顯升高[27-28]。

在分子生物學(xué)層面，爆炸沖擊波對(duì)肺部的損傷主要是沖擊波致傷肺部后造成肺部炎癥反應(yīng)[29-30]、氧化應(yīng)激[31-32] 和細(xì)胞凋亡[33]，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致膿毒癥，最終導(dǎo)致傷員死亡。從分子層面研究爆炸沖擊波的損傷機(jī)制為沖擊傷治療藥物的研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

顱腦在沖擊波作用下也極易受傷，與肺部爆炸沖擊傷相比，顱腦沖擊傷不易造成致死性傷害，但是會(huì)對(duì)人體造成長(zhǎng)期的神經(jīng)和精神傷害，如圖1 所示，我們?cè)谘芯窟^程中發(fā)現(xiàn)，小鼠肺部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)腦部?jī)H有少量出血。爆炸沖擊波對(duì)顱腦的損傷機(jī)制大致有：（1） 直接沖擊，即沖擊波直接沖擊大腦，通過顱骨彎曲以及應(yīng)力和剪切力的傳播造成組織損傷[23， 34-35]；（2） 壓力傳遞，即沖擊波產(chǎn)生超音速流，導(dǎo)致腦組織出血、水腫、血管收縮和凋亡[35]；（3） 流體動(dòng)力脈沖，即沖擊胸部的沖擊波可以在主要血管中引起流體動(dòng)力脈沖，將動(dòng)能傳遞到大腦，導(dǎo)致小靜脈周圍炎癥和反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞病[36]；（4） 血腦屏障破壞，即沖擊波會(huì)破壞血腦屏障，導(dǎo)致認(rèn)知、記憶功能障礙和隨后的炎癥和氧化應(yīng)激引起的情感障礙，甚至?xí)o傷者帶來如自殺、暴力犯罪等一些社會(huì)問題[37-39]。與肺沖擊傷相比，顱腦沖擊傷的研究更具有挑戰(zhàn)性，在相同強(qiáng)度的爆炸沖擊波作用下，肺部表現(xiàn)出明顯的損傷，而顱腦并未表現(xiàn)出明顯的出血、挫裂傷等。康越等[40] 通過數(shù)值模擬研究了顱腦沖擊傷的發(fā)生機(jī)制，為顱腦沖擊傷的發(fā)生及防護(hù)研究提供了一種新的思路。但未來仍需要在精確測(cè)量顱腦組織不同部位的沖擊波強(qiáng)度、不同顱腦損傷與沖擊波強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系等方面開展大量研究。

除致傷機(jī)制和損傷表現(xiàn)外，引起人體損傷的力學(xué)指標(biāo)也是人們十分關(guān)注的問題。如圖2所示，在不同的沖擊波壓力作用下，人體頭部及肺部損傷的50% 生存率具有明顯差異，可以看出，頭部相比于肺部能夠承受的沖擊波超壓更高、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，有防護(hù)較無防護(hù)時(shí)肺部能夠承受更高的沖擊波超壓、更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。而針對(duì)頭部防護(hù)下的沖擊波耐受情況仍不清楚，有待進(jìn)一步研究。

爆炸沖擊波對(duì)人體的損傷程度主要取決于5 個(gè)因素：（1） 超壓峰值，690～1 724 kPa 的超壓被認(rèn)為是致命壓力[41]；（2） 超壓持續(xù)時(shí)間；（3） 爆炸介質(zhì)；（4） 與爆心的距離；（5） 由于受限區(qū)域或墻壁等引起的沖擊波反射[42-44]。

1.3 小結(jié)

與破片等機(jī)械性損傷不同，爆炸沖擊波主要通過“超壓”、“負(fù)壓”直接作用于人體致傷，具有損傷部位多、傷情復(fù)雜、危重傷多和“外重內(nèi)輕”等特點(diǎn)。對(duì)含氣組織（肺、聽器、胃腸）的損傷較嚴(yán)重，對(duì)顱腦也會(huì)造成長(zhǎng)期性的損傷，并且爆炸沖擊波對(duì)人體的損傷與沖擊波超壓及作用時(shí)間正相關(guān)。因此，接下來我們將圍繞爆炸沖擊傷的防護(hù)和評(píng)估等方面的科學(xué)問題，系統(tǒng)介紹研究現(xiàn)狀和相關(guān)成果。

2 爆炸沖擊傷的防護(hù)

2.1 爆炸沖擊傷防護(hù)策略

從上述爆炸沖擊傷發(fā)生機(jī)制的研究可知，爆炸沖擊波通過壓縮周圍介質(zhì)形成“超壓”，“超壓”擊中人體后在體內(nèi)傳播，造成多個(gè)器官發(fā)生損傷。在爆炸沖擊波擊中人體前，通過防護(hù)材料將其繞射、反射、結(jié)構(gòu)共振、形變等方式耗散，是防護(hù)爆炸沖擊波所致?lián)p傷的有效策略。

2.2 爆炸沖擊傷防護(hù)材料

針對(duì)現(xiàn)有使用的防彈材料防護(hù)爆炸沖擊波性能測(cè)試顯示，軟質(zhì)防彈材料（如芳綸纖維）不能有效實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波的衰減[45]，硬質(zhì)防彈材料（如陶瓷）雖然能夠衰減部分爆炸沖擊波，但硬質(zhì)防彈材料硬度較高、密度較大，穿戴舒適性低，此外，現(xiàn)有研究認(rèn)為硬質(zhì)防彈材料與人體之間會(huì)形成空隙，這將導(dǎo)致沖擊波“繞過”防彈材料造成人體損傷。筆者所在團(tuán)隊(duì)前期采用大鼠對(duì)目前常用的防彈材料進(jìn)行了爆炸沖擊波生物防護(hù)效應(yīng)評(píng)估。從大鼠肺部解剖圖像可以發(fā)現(xiàn)，防彈材料在爆炸沖擊波作用下無法實(shí)現(xiàn)有效的防護(hù)，甚至?xí)又胤尾繐p傷[46]。因此，需要設(shè)計(jì)制備加強(qiáng)爆炸沖擊波防護(hù)的材料。本節(jié)綜述目前常用的爆炸沖擊波防護(hù)材料，并探究其適用的防護(hù)場(chǎng)景及對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)機(jī)理。

2.2.1 多孔材料

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，與密實(shí)材料相比，多孔材料可實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波的衰減，這主要是通過孔隙結(jié)構(gòu)的屈服壓縮和孔壁的坍塌吸收、耗散爆炸沖擊波能量。根據(jù)制備工藝和材料的不同，適用于爆炸沖擊波防護(hù)的多孔材料主要有泡沫材料、多孔拉脹材料等。

泡沫材料主要有聚合物基泡沫和金屬基泡沫。在聚合物基泡沫方面，Jia 等[47] 研究了不同厚度和密度（200.0 kg/m3 （F-200）、400.0 kg/m3 （F-400））的聚氨酯泡沫對(duì)沖擊波防護(hù)性能的差異，發(fā)現(xiàn)聚氨酯泡沫沖擊波防護(hù)性能的強(qiáng)弱與其厚度、密度和微觀特性相關(guān)。沖擊波超壓峰值和沖量隨試樣厚度的增大呈指數(shù)衰減。在相同厚度下，一定密度范圍內(nèi)，高密度的F-400 的防護(hù)性能優(yōu)于低密度的F-200。當(dāng)材料孔隙結(jié)構(gòu)不被破壞時(shí)，厚度大于10.0 mm 的F-200 和厚度大于4.0 mm 的F-400 均可以使超壓峰值衰減90.0% 以上。沖擊波與聚氨酯泡沫相互作用后衰減為弱的壓力擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了爆炸沖擊波的防護(hù)。金屬基泡沫也可實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波的衰減。孫建華等[48] 研究了不同的多孔鐵鎳泡沫衰減瓦斯爆炸沖擊波超壓，發(fā)現(xiàn)鐵鎳泡沫衰減爆炸沖擊波的效果良好，衰減率為12.9%～73.8%；孔徑、相對(duì)密度及厚度是影響其衰減沖擊波性能的重要因素，適當(dāng)降低孔徑、增大相對(duì)密度和厚度有利于提高鐵鎳泡沫材料對(duì)沖擊波的衰減性能，而其中鐵鎳基體材料成分的比例對(duì)其衰減超壓的效果影響不大。孔隙結(jié)構(gòu)是影響泡沫爆炸沖擊波衰減性能的重要參數(shù)。Hu 等[49] 采用數(shù)值模擬方法研究了聚氨酯泡沫孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波衰減性能的影響，模擬結(jié)果表明，孔隙塌陷形成局部應(yīng)力波，導(dǎo)致沖擊波具有復(fù)雜的多波結(jié)構(gòu)。沖擊波峰值衰減的幅度隨聚氨酯泡沫密度的提高而減小。在孔隙塌陷直至完全壓實(shí)的過程中，局部應(yīng)力逐漸增大，最終導(dǎo)致應(yīng)力松弛。

與傳統(tǒng)的泡沫材料相比，3D 打印技術(shù)可以制備具有高度復(fù)雜幾何形狀孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫材料，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控，這些結(jié)構(gòu)難以通過傳統(tǒng)的制造方法（如鑄造和擠壓）生產(chǎn)[50]。Branch 等[51]通過相差成像和有限元建模研究了3D 打印開孔泡沫中的孔徑與沖擊波衰減的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)孔徑的分布和每個(gè)孔徑的接近度產(chǎn)生了一個(gè)隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致高應(yīng)變點(diǎn)在更高速度的沖擊波中產(chǎn)生了不規(guī)則性。將發(fā)泡制備的多孔材料與增材制造的具有相似密度的多孔材料沖擊波衰減性能進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)增材制造過程中的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸沖擊波衰減性能的調(diào)控。Kader 等[52] 通過3D 打印方式制備了具有不同孔隙結(jié)構(gòu)（球形、橢圓形）的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的閉孔結(jié)構(gòu)均勻分布使材料獲得了均勻的應(yīng)力分布和大變形的優(yōu)點(diǎn)，從而具有高強(qiáng)度和高能量吸收效率。適當(dāng)?shù)目紫督Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高多孔材料的能量吸收效率。

近年來，具有負(fù)泊松比的多孔材料由于其特殊的力學(xué)性能引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的多孔材料和結(jié)構(gòu)類似，這類多孔材料在本體結(jié)構(gòu)內(nèi)仍具有相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是由各種幾何構(gòu)型的孔壁組成。在爆炸沖擊波的作用下，孔壁通過不同的機(jī)制（如彎曲和拉伸[53-55] 以及剛性旋轉(zhuǎn)[56-57]）發(fā)生變形?？妆诘淖冃螌?shí)現(xiàn)了爆炸沖擊波能量的吸收。此外，由于結(jié)構(gòu)中較高的孔隙率，其質(zhì)量較低，具有較高的比吸能。這類多孔結(jié)構(gòu)的能量吸收能力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的多孔材料[58]。Fíla 等[59] 采用分離式霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)表征了具有負(fù)泊松比的多孔材料的能量吸收性能。具有負(fù)泊松比的多孔材料在與其填充物協(xié)同作用時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)力-應(yīng)變性能，當(dāng)應(yīng)力卸載時(shí)應(yīng)變恢復(fù)。在爆炸沖擊波防護(hù)方面，拉脹材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)多孔材料[60-61]。這是因?yàn)?，由于材料的?fù)泊松比效應(yīng)，夾層通過將材料逐漸拉入局部加載區(qū)而有效地適應(yīng)動(dòng)態(tài)加載[62-63]，因此，在爆炸過程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸沖擊波的有效防護(hù)。

多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)（孔徑、孔隙率）是影響爆炸沖擊波衰減性能的主要因素，通過制備工藝的調(diào)控可實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔材料的孔徑和孔隙率的調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控爆炸沖擊波衰減能力的目的。然而，多孔材料由于孔隙的存在相比于實(shí)心材料而言機(jī)械強(qiáng)度較差，未來在實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波衰減的同時(shí)還需考慮如何增強(qiáng)多孔材料的機(jī)械強(qiáng)度。與此同時(shí)，爆炸沖擊波衰減性能依賴于材料的厚度，當(dāng)厚度減小時(shí)衰減沖擊波的能力打折扣，然而人員防護(hù)材料的厚度有嚴(yán)格限制。此外，當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)屈服壓縮無法回彈和大部分孔壁發(fā)生坍塌時(shí)，多孔材料難以再次吸收爆炸沖擊波能量。這些都是未來在設(shè)計(jì)制備用于防護(hù)爆炸沖擊波的多孔材料時(shí)需要充分考慮的。

2.2.2 水凝膠

水凝膠是一類極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由不同的分子通過化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)的方法聚合而成。不同的原料、條件所制備的水凝膠表現(xiàn)出不同的性能。適用于爆炸沖擊波防護(hù)的水凝膠應(yīng)具有高含水率、高形變量的特性，與其他防護(hù)材料相比，水凝膠因含有大量的水，還可實(shí)現(xiàn)爆炸過程中瞬時(shí)高溫的防護(hù)。水凝膠在爆炸沖擊波作用下，因鏈狀大分子與內(nèi)部的水相互作用需要時(shí)間，因此變形往往滯后于應(yīng)力的變化，這種滯后在一定范圍內(nèi)十分明顯。變形滯后的同時(shí)會(huì)消耗能量，達(dá)到衰減爆炸沖擊波的效果。Magnus 等[64] 研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠的彈性變形可將沖擊波峰值壓力降低20%～25%。此外，防護(hù)材料與人體之間存在空隙會(huì)影響材料的沖擊波衰減能力，水凝膠可通過改變自身形狀來減小防護(hù)材料與人體之間的空隙，但是水凝膠在干燥的地方容易失水，這將會(huì)顯著降低其防護(hù)性能。此外，水凝膠的機(jī)械性能隨著其含水量的增加而降低。Sun 等[65]、Ni 等[66]、Liu 等[67]、Fan 等[68] 和Matsuda 等[69-70] 在高強(qiáng)度水凝膠領(lǐng)域開展了大量的研究，但并未對(duì)其爆炸沖擊波防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，未來在高強(qiáng)度水凝膠的爆炸沖擊波防護(hù)方面仍需進(jìn)行探索。

2.2.3 聚脲

聚脲是一種新型的高分子彈性體，通常是由異氰酸酯與胺基化合物反應(yīng)生成的一種聚合物[71]。聚脲彈性體具有成本低、無毒、密度低、物理性能多變、機(jī)械韌性優(yōu)異、耐磨和耐腐蝕等特點(diǎn)[72]，在軍事裝備及建筑物的爆炸沖擊防護(hù)中備受關(guān)注[73-75]。聚脲通常由硬段和軟段組成，其爆炸沖擊波防護(hù)歸因于硬/軟鏈段的微相分離導(dǎo)致沖擊波散射[76-77]，對(duì)沖擊波的防護(hù)主要?dú)w因于硬段的貢獻(xiàn)。硬段通常由芳香族的二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑組成，而軟鏈段由聚醚或聚酯多元醇組成。軟段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，在室溫下處于高彈態(tài)，模量低，柔性好，呈無規(guī)卷曲狀，賦予了聚脲較好的柔韌性。硬段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，在室溫下處于玻璃態(tài)，模量高，塑性差，賦予了材料較高的強(qiáng)度和硬度[77]，使其在抗沖擊性能中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[78]。

Iqbal 等[79] 研究了不同硬段含量對(duì)聚脲力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬段含量在61% 時(shí)聚脲表現(xiàn)出最優(yōu)的力學(xué)性能。Zhang 等[74] 研究了低硬度（邵氏硬度65～75 HA）和高硬度（邵氏硬度85～95 HA）聚脲涂層涂覆在金屬板上的防護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)正面涂覆高硬度聚脲涂層的金屬板表現(xiàn)出最佳的防護(hù)性能。涂層由于制備方便，可大面積制備，因此聚脲涂層也是目前常用的爆炸沖擊波防護(hù)材料。Zhang 等[72] 研究了不同力學(xué)性能的聚脲涂層對(duì)金屬圓管的爆炸沖擊波防護(hù)性能，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)后，他們利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡測(cè)試了聚脲涂層鋁管的宏觀和微觀損傷特性。結(jié)果表明，聚脲能顯著提高鋁合金圓管的爆炸沖擊波防護(hù)性能，在高動(dòng)態(tài)負(fù)載下具有更好的能量吸收效果。然而，聚脲涂層在爆炸過程中的脫附和變形將直接影響聚脲涂層的防護(hù)性能，如何在不降低聚脲爆炸沖擊波防護(hù)性能的同時(shí)增強(qiáng)聚脲涂層的黏附力是目前仍需要解決的問題。聚脲不僅可以單獨(dú)作為爆炸沖擊波防護(hù)材料使用，還可與其他材料復(fù)合制成復(fù)合材料。Liang 等[80] 在聚脲中加入超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weightpolyethylene，UHMWPE）纖維網(wǎng)，并研究了爆炸沖擊波與破片耦合作用下的防護(hù)性能、失效機(jī)理及聚脲的自修復(fù)效應(yīng)，研究結(jié)果表明，聚脲增強(qiáng)了復(fù)合材料的延展性并防止了破片的分散，而UHMWPE纖維網(wǎng)提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度并阻止了裂紋發(fā)展。UHMWPE 纖維網(wǎng)可以改善聚脲基體的載荷傳遞、整體性和抗斷裂性能，甚至可以改變材料的破壞模式，由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱茐摹?/p>

此外，聚脲在防護(hù)插板的涂覆位置也可能會(huì)影響沖擊波的衰減性能。Zhang 等[81] 研究了分別在鋼板的外側(cè)、內(nèi)側(cè)和內(nèi)外兩側(cè)涂覆聚脲后復(fù)合板材的破片-爆炸沖擊波耦合防護(hù)性能。結(jié)果表明，外層涂覆聚脲的損毀程度大于內(nèi)層涂覆聚脲的損毀程度，兩側(cè)均涂覆聚脲后的爆炸沖擊波-破片耦合防護(hù)性能最佳。聚脲涂覆在鋼板外側(cè)時(shí)，在破片-爆炸沖擊波耦合作用下表現(xiàn)出明顯的壓縮剪切破壞特征，而聚脲涂覆在鋼板內(nèi)側(cè)時(shí)，表現(xiàn)出明顯的拉伸斷裂特征。此外，紅外光譜結(jié)果表明，聚脲的能量吸收與其羰基和氫鍵的斷裂密切相關(guān)。聚脲雖然表現(xiàn)出優(yōu)異的爆炸沖擊波防護(hù)性能，但是其防護(hù)機(jī)制仍不清楚：現(xiàn)有研究表明聚脲的軟硬鏈段微相分離、多重氫鍵、硬度等均影響爆炸沖擊波的衰減能力。各個(gè)因素（如聚脲層厚度、涂覆位置、氫鍵多少等）共同決定了聚脲的爆炸沖擊波衰減性能，但是其對(duì)爆炸沖擊波的耗散、散射、反射和吸收的具體機(jī)理仍不清楚，未來仍需對(duì)聚脲的沖擊波衰減機(jī)制進(jìn)行深入研究，以此指導(dǎo)聚脲材料的設(shè)計(jì)制備。

2.2.4 納米/微米增強(qiáng)材料

納米/微米材料雖然不能作為單一材料用于防護(hù)爆炸沖擊波，但是通過在基材中加入納米/微米顆粒增強(qiáng)材料是常用的防護(hù)材料改性方法，本節(jié)綜述了目前常用于提升基材衰減爆炸沖擊波性能的納米/微米增強(qiáng)材料。

石墨烯、富勒烯、碳納米管等常作為增強(qiáng)相分散在其他聚合物基材中，從而增強(qiáng)基材的能量吸收性能。De Tessari 等[82] 研究了高密度聚乙烯薄膜-芳綸織物板材中添加石墨烯納米片后性能的改變。力學(xué)性能測(cè)試、子彈沖擊和霍普金森壓力測(cè)試的結(jié)果均表明，添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 和1.0% GNP 的HDPE 薄膜-芳綸織物板材表現(xiàn)出最高的能量吸收和變形最小。石墨烯的加入能夠提高基材的抗沖擊性能可能的原因在于，石墨烯片優(yōu)異的力學(xué)性能使得基材與石墨烯的復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性得以提升。我們通過在聚脲中添加一定比例的氧化石墨烯后，發(fā)現(xiàn)石墨烯-聚脲復(fù)合材料的爆炸沖擊波衰減性能優(yōu)于未添加石墨烯的聚脲，在聚脲中添加0.3% 的氧化石墨烯后對(duì)沖擊波衰減提升了15%。石墨烯作為增強(qiáng)材料使用時(shí)，材料制備方法簡(jiǎn)單、用量可控，材料的結(jié)構(gòu)和性能也可控，是目前石墨烯材料在爆炸沖擊波防護(hù)領(lǐng)域中最常見的使用方式。

碳納米管（carbon nanotube， CNT）由柱狀二維石墨烯片構(gòu)成，具有高縱橫比、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的機(jī)械性能。CNT 具有200 GPa 的拉伸強(qiáng)度、高于1 TPa 的模量和相對(duì)較低的密度，使得CNT 復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于破片防護(hù)、高強(qiáng)度和高能量吸收[83-84]。Laurenzi 等[85] 研究了多壁碳納米管（multi-walled carbonnanotubes， MWCNT）增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗沖擊性能，對(duì)添加了不同比例多壁碳納米管的環(huán)氧樹脂進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，添加MWCNT 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 的環(huán)氧樹脂韌性最好。此外，Ma 等[86]系統(tǒng)地研究了在環(huán)氧樹脂中添加相同比例的富勒烯、石墨烯、碳納米管后的爆炸沖擊波衰減能力。結(jié)果表明，與純環(huán)氧樹脂相比，在環(huán)氧樹脂中添加富勒烯顆粒后，復(fù)合材料的爆炸沖擊波超壓峰值降低了16.5%，添加石墨烯和碳納米管的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊波超壓峰值的衰減率相似，分別衰減了29.6% 和31.7%。

空心玻璃微珠是一種粒徑為10～180 μm 的空心玻璃球體，屬于無機(jī)非金屬材料，具有密度低、耐熱性好和抗沖擊性能優(yōu)異等特點(diǎn)?？招牟Ａ⒅槌Ｓ糜诟男跃酆衔?，在降低復(fù)合材料密度的同時(shí)能夠提高抗沖擊性能[87]。Wang 等[88] 研究了在環(huán)氧樹脂和聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)（ epoxy resin and polyurethaneinterpenetrating network， PU/EP IPN）填充空心玻璃微珠后材料的阻尼性能，即材料在振動(dòng)時(shí)由于材料的晶粒相互摩擦等內(nèi)部原因引起的機(jī)械振動(dòng)能量損耗的現(xiàn)象。在受到外界沖擊時(shí)，空心玻璃微珠的加入增強(qiáng)了PU/EP IPN 與玻璃微珠間的摩擦損耗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊能量的吸收，但該研究中比較欠缺的是未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆環(huán)境下的爆炸沖擊波防護(hù)性能試驗(yàn)，未能真正檢測(cè)材料的沖擊波耗散性能。Drdlová等[89]研究了在泡沫材料中填充中空玻璃微珠后的爆炸能量吸收性能，發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧樹脂泡沫中添加玻璃微珠后可提升復(fù)合材料的沖擊能量吸收性能，這是因?yàn)椴Ａ⒅榈钠扑檫^程可吸收沖擊能量。沖擊能量的吸收性能與添加玻璃微珠的量呈正相關(guān)，但添加玻璃微珠的量較大會(huì)降低材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。因此，在基材中添加玻璃微珠的同時(shí)也需添加其他納米增強(qiáng)材料（如碳納米管等）以增強(qiáng)材料的壓縮、彎曲強(qiáng)度。

除上述增強(qiáng)材料外，納米二氧化硅、納米氮化硼等常被用作增強(qiáng)材料添加在基材中[90]。此外，在實(shí)際使用過程中，為了達(dá)到更好的防護(hù)性能，在聚合物基體中往往會(huì)添加多種增強(qiáng)材料。需要注意的是，在使用過程中，增強(qiáng)材料在基體中的分散要均勻，避免納米顆粒的團(tuán)聚。雖然有很多納米/微米顆?？梢愿纳撇牧系谋_擊波衰減性能，但是納米/微米顆粒衰減爆炸沖擊波的具體機(jī)制仍不清晰，未來需要將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論模擬相結(jié)合，以全方面地解釋材料對(duì)爆炸沖擊波的衰減機(jī)制。

2.3 小結(jié)

材料[47-48， 73， 91-94] 對(duì)爆炸沖擊波的衰減機(jī)制主要是通過材料對(duì)沖擊波的吸收、耗散、反射和折射，但是其中的衰減過程極其復(fù)雜，材料的具體性能指標(biāo)與爆炸沖擊波衰減之間的關(guān)系尚未完全厘清，并且對(duì)防護(hù)材料的爆炸沖擊波衰減性能缺乏規(guī)范、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估方法，這些都限制了爆炸沖擊傷防護(hù)技術(shù)的發(fā)展。未來仍需開展大量的研究，為材料的設(shè)計(jì)制備提供基礎(chǔ)。

3 防護(hù)材料的爆炸沖擊波衰減性能測(cè)試方法

如表1[95-98] 所示，目前報(bào)道了多種防護(hù)材料爆炸沖擊波衰減性能的評(píng)測(cè)方法，但是想要精確測(cè)量沖擊波衰減性能仍存在一定難度。目前常用于評(píng)估材料爆炸沖擊波防護(hù)性能的方法是利用各類傳感器記錄防護(hù)前后爆炸沖擊波壓力強(qiáng)度的變化，其中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沖擊波的產(chǎn)生主要是采用激波管，而在實(shí)爆條件下采用彈藥產(chǎn)生爆炸沖擊波。與防彈材料的防護(hù)性能測(cè)試具有完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（GA/T 1709－2020《實(shí)體防護(hù)產(chǎn)品防彈性能分類及測(cè)試法方法》）不同，對(duì)于防護(hù)材料的爆炸沖擊波衰減性能測(cè)試目前還沒有確定的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，利用傳感器記錄防護(hù)材料前后的爆炸沖擊波壓力受外界影響較大，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確記錄沖擊波壓力。筆者團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果材料沒有將傳感器完全包覆其中，沖擊波可能會(huì)繞過材料，對(duì)沖擊波的記錄造成影響；如果傳感器包覆在材料中，材料輕微的變形會(huì)擠壓傳感器，導(dǎo)致記錄的數(shù)值出現(xiàn)明顯的過大或過小。Boutillier 等[99] 為了能夠更精確地測(cè)量防護(hù)材料后的爆炸沖擊波超壓峰值，將傳感器埋置于硅膠中，然后將防護(hù)材料置于硅膠表面，以模擬真人佩戴防護(hù)材料的形態(tài)用于測(cè)試防護(hù)材料的爆炸沖擊波衰減能力。雖然將傳感器埋置于硅膠中可避免部分爆炸沖擊波的影響，但是仍然難以完全避免爆炸沖擊波繞行對(duì)材料后人體的影響。因此，我們長(zhǎng)期致力于通過生物防護(hù)效應(yīng)結(jié)合傳感器測(cè)量爆炸沖擊波衰減以評(píng)估防護(hù)材料的爆炸沖擊波衰減性能，即將防護(hù)材料穿戴在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（大鼠、山羊等）表面，在激波管內(nèi)或外場(chǎng)實(shí)爆條件下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉，實(shí)驗(yàn)完畢后對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行解剖，觀察其傷情。通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的傷情評(píng)估結(jié)合傳感器測(cè)量爆炸沖擊波強(qiáng)度，能夠更全面地反映材料的防護(hù)性能。這種方法可以直觀地評(píng)估材料的防護(hù)效能，即佩戴防護(hù)材料的動(dòng)物傷情越重，表明防護(hù)材料的防護(hù)效能越差；反之，傷情越輕，材料的防護(hù)效能越好。通過多種評(píng)估方法聯(lián)合使用的方式能夠更全面地評(píng)估材料對(duì)爆炸沖擊波的衰減性能，但是需要耗費(fèi)更多的人力、物力，未來仍需在爆炸沖擊波評(píng)估方面繼續(xù)研究，以期開發(fā)出高效、準(zhǔn)確的爆炸沖擊波衰減性能評(píng)測(cè)方法。

4 總結(jié)與展望

無論是在戰(zhàn)時(shí)還是平時(shí)，爆炸沖擊傷由于難防難治、群發(fā)等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著人員安全。對(duì)爆炸沖擊傷施以高效的防護(hù)勝過任何救治手段。本文系統(tǒng)綜述了爆炸沖擊波的傳播、爆炸沖擊傷的發(fā)生機(jī)制、爆炸沖擊傷防護(hù)材料及評(píng)測(cè)方法的研究進(jìn)展，盡管過去的研究取得了較大進(jìn)展，但還有許多待探索和改進(jìn)的地方。

（1） 需要建立規(guī)范統(tǒng)一的爆炸沖擊波防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如準(zhǔn)確測(cè)試防護(hù)材料后爆炸沖擊波壓力強(qiáng)度具體數(shù)值的方法、防護(hù)材料后壓力傳感器的布放規(guī)則等。

（2） 需要建立動(dòng)物傷情和防護(hù)指標(biāo)與人員防護(hù)之間的尺度關(guān)系，建立不同沖擊波、破片作用下的動(dòng)物傷情模型，實(shí)現(xiàn)可通過測(cè)量動(dòng)物傷情測(cè)試轉(zhuǎn)換成人體爆炸沖擊波傷情評(píng)估。

（3） 加強(qiáng)爆炸沖擊波防護(hù)材料及單兵裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需建立材料力學(xué)指標(biāo)與爆炸沖擊波衰減之間的關(guān)系，基于此對(duì)現(xiàn)有的單兵防護(hù)裝備進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，提升防護(hù)裝備的性能。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020-JCJQ-ZD-254-05）；陸軍特色醫(yī)學(xué)中心人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)計(jì)劃（ZXYZZKY03）；陸軍軍醫(yī)大學(xué)青年培育項(xiàng)目（2023XQN48）