氣凝膠防爆性能機理研究進展

在現代戰爭、反恐行動甚至石油、化工、藥品等工業生產過程中,由於炸藥、危化品等物質爆炸所引發的直接損失愈發觸目驚心,而對於如何利用防護材料有效減緩爆炸沖擊波的破壞力也吸引瞭更多研究人員的關註。

而隨著1931 年由斯坦福大學的Kistler采用鹽酸水解水玻璃的方法及超臨界幹燥技術 (采用乙醇為超臨界幹燥介質) 制得的氣凝膠首次問世,其連續的三維網絡結構使得氣凝膠在熱學、力學、聲學、光學、電學、吸附等方面都顯示出獨特的性質,引起瞭研究者們極大的興趣。氣凝膠是一種新型的多孔納米材料,孔隙率高達99.8%,比表面積可高至1000m2/g,密度可低至3kg/m3,孔洞尺寸為1-100nm[1-2],正是由於其微觀結構呈現出“蜂窩狀”的多孔形貌,加之其具有比表面積大、孔隙率高、密度低、熱導率低等特點,能夠降低機械波在其內部的傳播速度,氣凝膠基體在承受沖擊的過程中,能夠有效吸收大量能量,進一步促進瞭沖擊波的衰減並最大限度地降低破壞效果,因此,目前國內外大量學者紛紛提出可以將氣凝膠作為一種有效的防爆材料並可將其應用在防護領域。

國外已經有將氣凝膠用於防爆震領域的測試,據英國《泰晤士報》報道,氣凝膠可以經受住1kg炸藥爆炸時產生的沖擊波的威力。Luo等對氣凝膠的動態壓縮性能進行瞭研究,並認為氣凝膠在吸能緩沖領域有廣闊的應用前景。由以上所述可知,氣凝膠在防護領域已經展現出相應的應用潛力和非常廣泛的應用前景[3-6]。

一、 氣凝膠防爆機理

圖1顯示的是氣凝膠的微觀結構。如圖所示,氣凝膠基體中的孔洞為納米量級。由於氣凝膠基體多孔材料的黏性耗散作用,使得沖擊波在多孔材料中會出現衰減和彌散的現象[7] 。在爆炸產生的高速沖擊過程中, 氣凝膠中的氣體在瞬間難以逸出, 氣體分子之間以及氣體分子與孔壁之間發生劇烈的碰撞。由於空氣分子的自由程為70nm,氣凝膠平均孔徑僅為20nm左右,氣凝膠孔壁與孔內空氣分子之間的距離要遠小於空氣分子平均自由程,高比表面積增加瞭氣凝膠基體孔壁與空氣分子碰撞的概率,並相應降低瞭空氣分子之間相互碰撞的概率。在沖擊波造成的高速壓縮過程中,空氣分子與氣凝膠基體孔壁之間的碰撞要比空氣分子之間的高速碰撞更加劇烈。氣體與孔壁碰撞引起的流動阻力以及氣孔中空氣分子之間的碰撞阻力會導致氣孔內壓力隨之增大。材料變形越快, 氣體分子往外逸出越困難,孔洞內壓越高,氣凝膠基體消耗的沖擊波能量也越多。由於氣孔內部各個方向上的應力近似相等, 所以氣凝膠內的氣體將軸向的壓應力轉化為各個方向上的應力, 即氣凝膠內的應力狀態發生改變,從而起到瞭良好的防護作用。

由於氣凝膠材料的黏性耗散作用,沖擊波在氣凝膠基體中會出現衰減和彌散的現象。沖擊波在材料內部衰減的程度受到材料微觀結構的影響,通常在較為致密的固體中傳播時衰減程度較小,受氣凝膠的結構特性影響,沖擊波在氣凝膠中衰減要更加明顯。由於氣凝膠中的孔洞和膠體粒子尺寸為納米量級,氣凝膠孔隙率一般在80% ~ 99.8%,典型孔洞尺寸在50 nm 范圍內,比表面積可高達l000 m2.g-1,氣凝膠膠體粒子之間相互交聯並導致沖擊波在氣凝膠中傳播時不會在氣凝膠內部的局部區域出現類似在致密固體中所常見的衰減程度較小及傳播速度較快的情況,因而沖擊波在氣凝膠中的衰減效果更為明顯。

當爆炸產生的沖擊波進入氣凝膠膠體粒子結構之間後,氣凝膠材料的膠體粒子結構在沖擊波傳播過程中發生瞭斷裂破壞, 由於氣凝膠的膠體粒子結構的尺寸為納米級別,因此該粒子結構強度較低,在沖擊波的加載下難以承載和傳遞較強的應力,從而發生斷裂破壞,這也導致沖擊波在氣凝膠中的衰減較為明顯。因此,氣凝膠粒子的納米尺寸效應是導致沖擊波在氣凝膠中衰減較為明顯的一個重要原因。除此之外,沖擊波在多孔材料中傳播時後方卸載波的追趕卸載效應同樣是造成多孔材料中沖擊波衰減的重要原因之一。沖擊波在多孔材料中的傳播速度越慢,後方卸載波的追趕卸載效應就越明顯,多孔材料中沖擊波的衰減效果就越好,以上因素共同導致瞭機械波在氣凝膠中低傳播速度現象的出現。

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