气凝胶防爆性能机理研究进展

在现代战争、反恐行动甚至石油、化工、药品等工业生产过程中,由于炸药、危化品等物质爆炸所引发的直接损失愈发触目惊心,而对于如何利用防护材料有效减缓爆炸冲击波的破坏力也吸引了更多研究人员的关注。

而随着1931 年由斯坦福大学的Kistler采用盐酸水解水玻璃的方法及超临界干燥技术 (采用乙醇为超临界干燥介质) 制得的气凝胶首次问世,其连续的三维网络结构使得气凝胶在热学、力学、声学、光学、电学、吸附等方面都显示出独特的性质,引起了研究者们极大的兴趣。气凝胶是一种新型的多孔纳米材料,孔隙率高达99.8%,比表面积可高至1000m2/g,密度可低至3kg/m3,孔洞尺寸为1-100nm[1-2],正是由于其微观结构呈现出“蜂窝状”的多孔形貌,加之其具有比表面积大、孔隙率高、密度低、热导率低等特点,能够降低机械波在其内部的传播速度,气凝胶基体在承受冲击的过程中,能够有效吸收大量能量,进一步促进了冲击波的衰减并最大限度地降低破坏效果,因此,目前国内外大量学者纷纷提出可以将气凝胶作为一种有效的防爆材料并可将其应用在防护领域。

国外已经有将气凝胶用于防爆震领域的测试,据英国《泰晤士报》报道,气凝胶可以经受住1kg炸药爆炸时产生的冲击波的威力。Luo等对气凝胶的动态压缩性能进行了研究,并认为气凝胶在吸能缓冲领域有广阔的应用前景。由以上所述可知,气凝胶在防护领域已经展现出相应的应用潜力和非常广泛的应用前景[3-6]。

一、 气凝胶防爆机理

图1显示的是气凝胶的微观结构。如图所示,气凝胶基体中的孔洞为纳米量级。由于气凝胶基体多孔材料的黏性耗散作用,使得冲击波在多孔材料中会出现衰减和弥散的现象[7] 。在爆炸产生的高速冲击过程中, 气凝胶中的气体在瞬间难以逸出, 气体分子之间以及气体分子与孔壁之间发生剧烈的碰撞。由于空气分子的自由程为70nm,气凝胶平均孔径仅为20nm左右,气凝胶孔壁与孔内空气分子之间的距离要远小于空气分子平均自由程,高比表面积增加了气凝胶基体孔壁与空气分子碰撞的概率,并相应降低了空气分子之间相互碰撞的概率。在冲击波造成的高速压缩过程中,空气分子与气凝胶基体孔壁之间的碰撞要比空气分子之间的高速碰撞更加剧烈。气体与孔壁碰撞引起的流动阻力以及气孔中空气分子之间的碰撞阻力会导致气孔内压力随之增大。材料变形越快, 气体分子往外逸出越困难,孔洞内压越高,气凝胶基体消耗的冲击波能量也越多。由于气孔内部各个方向上的应力近似相等, 所以气凝胶内的气体将轴向的压应力转化为各个方向上的应力, 即气凝胶内的应力状态发生改变,从而起到了良好的防护作用。

由于气凝胶材料的黏性耗散作用,冲击波在气凝胶基体中会出现衰减和弥散的现象。冲击波在材料内部衰减的程度受到材料微观结构的影响,通常在较为致密的固体中传播时衰减程度较小,受气凝胶的结构特性影响,冲击波在气凝胶中衰减要更加明显。由于气凝胶中的孔洞和胶体粒子尺寸为纳米量级,气凝胶孔隙率一般在80% ~ 99.8%,典型孔洞尺寸在50 nm 范围内,比表面积可高达l000 m2.g-1,气凝胶胶体粒子之间相互交联并导致冲击波在气凝胶中传播时不会在气凝胶内部的局部区域出现类似在致密固体中所常见的衰减程度较小及传播速度较快的情况,因而冲击波在气凝胶中的衰减效果更为明显。

当爆炸产生的冲击波进入气凝胶胶体粒子结构之间后,气凝胶材料的胶体粒子结构在冲击波传播过程中发生了断裂破坏, 由于气凝胶的胶体粒子结构的尺寸为纳米级别,因此该粒子结构强度较低,在冲击波的加载下难以承载和传递较强的应力,从而发生断裂破坏,这也导致冲击波在气凝胶中的衰减较为明显。因此,气凝胶粒子的纳米尺寸效应是导致冲击波在气凝胶中衰减较为明显的一个重要原因。除此之外,冲击波在多孔材料中传播时后方卸载波的追赶卸载效应同样是造成多孔材料中冲击波衰减的重要原因之一。冲击波在多孔材料中的传播速度越慢,后方卸载波的追赶卸载效应就越明显,多孔材料中冲击波的衰减效果就越好,以上因素共同导致了机械波在气凝胶中低传播速度现象的出现。

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