非金属材料抗爆性能试验研究.pdf
2 0 1 0 年1 月非金属材料抗爆性能试验研究王兵等 3 7 非金属材料抗爆性能试验研究。 王兵龙源马海洋周翔陈磊 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京,2 1 0 0 0 7 [ 摘要] 文中针对目前对爆炸有害效应的防护研究不足的现状,选取了一些有代表性的非金属材料,对其设计、 加工制作,进行抗爆性能原理性试验。通过试验得出陶瓷材料易产生破片,抗爆性能差;纤维材料具有轻质高强 度、易于加工的特点;碳纤维材料耐高温,还有一定的降噪作用;凯夫拉纤维材料抗冲击效果良好;橡胶材料在抗爆 炸冲击方面有一定的效果,与纤维材料复合成型新材料后其抗爆性能显著增强。 [ 关键词] 非金属材料抗爆性能陶瓷纤维橡胶 [ 分类号] T J 5 1 0 .4 l 引言 众所周知,装药爆炸会产生一些有害效应,如空 气冲击波、爆炸飞散物和噪声等,如果控制不好,不 仅影响环境,还会对周围的人和物造成很大危害。 而目前对爆炸危害防护相关方面的研究不多,主要 集中在防护材料方面,如纤维材料 C F R P 、凯夫拉纤 维 、多孔结构材料 泡沫材料 和橡胶及类橡胶材 料等,相对集中在理论研究上,相关的试验研究鲜有 报道。 本文选取陶瓷材料、纤维材料以及橡胶材料等 几种非金属材料,进行材料抗爆性能的试验研究,分 析其抗爆特性,以期为防护结构的抗爆设计提供可 靠的试验依据。 试验选用切割4m m 厚锻铝板的爆炸切割索及 与切割索爆轰威力大致相当的粥i n m 导爆索作为 爆炸荷载产生源,切割索内为A 5 炸药。切割索用 敏感小雷管起爆,在不影响试验结果的情况下,导爆 索用8 。电雷管起爆。 2 试验材料 2 .1 防护材料选择 陶瓷材料选择了堇青石、9 9 氧化铝陶瓷、多孔 陶瓷和增韧陶瓷等几种具有代表性的陶瓷材料;纤 维材料选择了碳纤维材料和凯夫拉纤维材料;橡胶 材料选择了天然橡胶和聚氨酯橡胶。 2 .2 防护材料的基本性能 2 .2 .1 陶瓷材料 陶瓷材料具有许多优越的特性,如高温力学性 能、抗化学侵蚀性能、电绝缘性、较高的硬度和耐磨 性等。 堇青石具有热膨胀系数小 2 .3 1 0 。6 ℃。1 , 抗热震性好等优点,被广泛地用作优质耐火材料、电 子封装材料、催化剂载体、泡沫陶瓷以及航空材料 等‘1 1 。 氧化铝陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损 等金属材料难以相比的优点,且原材料广泛、价格低 廉,在食品、化工、环保、电子等领域中的应用日益广 泛‘2 1 。 多孔陶瓷作为一种新型的陶瓷材料,具有体积 密度小、比表面积大及独特的物理表面特性,对液体 和气体介质有选择性或透过性,具有能量吸收或阻 尼特性,并具有陶瓷特有的耐高温、耐腐蚀、较高的 化学稳定性和尺寸稳定性,使其在过滤、净化分离、 化工催化载体、吸声减震、高级保温材料和传感材料 等多方面得到广泛应用【3 J 。 陶瓷材料的结构决定了其缺乏像金属材料那样 在受力状态下发生滑移引起塑性变形的能力,容易 产生缺陷,存在裂纹,且容易导致高度的应力集中, 因而决定了陶瓷材料脆性的本质,而增韧陶瓷很好 地解决了这一问题。 2 .2 .2 纤维材料 纤维织物复合材料是以纤维织物作为表面层, 金属或非金属为底材,通过粘结形成的复合材料,具 有高比强度、高比模量以及优良的化学稳定性和耐 磨性等性能。 凯夫拉 K e v l a r 纤维具有高比强度、高比模量 以及优异耐磨性等性能,作为增强材料已经在航空、 航天、建筑以及汽车等领域得到了广泛的应用H J 。 碳纤维 C F R P 布具有轻质、高抗拉强度、高比 收稿日期2 0 0 9 旬3 - 2 4 作者简介王兵 1 9 8 4 一 ,男。硕士,主要从事爆破器材研究与应用技术。E m a i l H w p w b s i n a .嗍 万方数据 3 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 9 卷第1 期 模量、极强的耐疲劳和耐腐蚀性等一系列优良性能, 在桥梁结构、房屋建筑工程中应用广泛。 2 .2 .3 橡胶材料 橡胶材料具有很强的弹性和良好的绝缘性、可 塑性、隔水隔气、抗拉和耐磨等特性。在橡胶材料 中,聚氨酯的弹性和硬度都较高,于是选用了天然橡 胶和聚氨酯橡胶两种材料进行对比试验。 聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称,英文名称是 p o l y u r e t h a n e ,它是一种高分子材料。聚氨酯是一种 新兴的有机高分子材料,是由聚酯 或聚醚 与二异 腈酸酯类化合物聚合而成的,具有许多优良的特性, 如耐磨性能好,其次是弹性好、硬度高、耐油、耐溶 剂。 3 试验结果及分析 3 .1 陶瓷、碳纤维布、凯夫拉纤维布等材料的抗爆 原理性试验 3 .1 .1 试验过程及结果 由于陶瓷材料来源广泛,易于取材,首先对陶瓷 材料做抗爆原理性试验,如图l 所示,试验结果见表 l 。导爆索引出距离以电雷管内部装药产生的爆轰 波对试验结果不造成影响为宜。试验3 是考虑到单 独使用陶瓷材料进行防护效果不好而设置的,为了 a 试验1 ; b 试验2 ; c 试验3 验证试验3 ,又设置了试验4 、试验5 。考察的重点 d 试验4 ; e 试验5 ; f 试验6 是几种材料在控制削弱空气冲击波、降低噪声和控 图1 陶瓷、碳纤维布及凯夫拉纤维布的试验情况 制破片产生等方面的性能。拉纤维布在抗冲击作用方面的性能目前还无法确定 3 .1 .2 试验结果分析下来,应继续对其进行试验研究。 陶瓷材料具有许多优越的特性,如较高的硬度3 .2 碳纤维布和天然橡胶复合成型材料的抗爆原 和耐磨性等,但陶瓷材料脆性的本质决定了其在爆 理性试验 炸冲击中极易破碎产生破片,因而其抗爆炸冲击效3 .2 .1 试验过程及结果 果差。但碳纤维布在削弱噪声方面的性能以及凯夫纤维材料具有非常强的耐磨特性,而橡胶材料 表l陶瓷、碳纤维布、凯夫拉纤维布等材料的抗爆原理性试验 万方数据 2 0 1 0 年1 月非金属材料抗爆性能试验研究王兵等 3 9 具有很好的弹性及抗拉特性,两种材料的复合成型 材料可能会比单一材料抗爆性能要好,因此,设计了 以下几组试验,如图2 所示,试验情况如表2 所示。 碳纤维布厚度为1 .2m m ,天然橡胶厚度为2n 瑚,碳 a 、 b 试验7 ; c 、 d 试验8 图2碳纤维布和天然橡胶复合成型材料的试验情况 纤维布和天然橡胶采用5 层间隔1 1 压制。碳纤 维布和天然橡胶在压制之前加工成1 0 0 m mx 1 0 0 r a m 的规格,采用W S R 6 1 0 1 环氧树脂胶和3 0 0 固化剂混合粘贴固化压制,放于烤箱中设定6 5 。C 烘 干2h 。 3 .2 .2 试验结果及分析 试验7 防护效果不好可能是因为开槽太深,加 上导爆索爆轰产生气体的撕裂作用使之断裂成两 块。试验8 多做了几组试验,结果相同。说明碳纤 维布和天然橡胶复合成型材料对爆炸冲击波防护效 果较好,且易于加工,可以很好适应复杂的装配环 境,对噪声也有削弱作用。 3 .3 天然橡胶和聚氨酯橡胶等材料的抗爆原理性 试验 3 .3 .1 试验过程及结果 接下来做天然橡胶和聚氨酯橡胶两种橡胶材料 的对比试验。为了配合试验,设计了三面闭合的截 面为“u ”形的切割试件,试验情况见表3 ,试验如图 、3 所示。 表2 碳纤维布和天然橡胶复合成型材料的抗爆原理性试验 表3 天然橡胶和聚氨酯橡胶等材料的抗爆原理性试验 万方数据 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第1 期 系。 对聚氨酯橡胶块的改进不仅解决了防护强度的 问题,而且能够保证防护材料本身及切割目标不产 生破片。 4 结论 通过对几种选取的非金属材料的抗爆性能试验 研究,初步得出以下结论 1 陶瓷材料在爆炸冲击中极易破碎产生破 ‘片,其抗爆炸冲击效果不好; 2 纤维材料具有轻质高强、易于加工的特点, 可以有效减轻防护装置的自重,减小防护装置的尺 寸,充分适应复杂狭小的装配空间; 3 碳纤维材料耐高温,在控制噪声方面也有 一定的效果;凯夫拉纤维材料在抗爆炸冲击方面性 能良好; 4 单纯用橡胶材料进行防护,效果有限,与纤 维材料复合成型新材料后其抗爆性能显著增强。 参考文献 [ 1 ]白建光,赵敬忠.莫来石含量对堇青石一莫来石复相陶 瓷性能的影响[ J ] .耐火材料,2 0 0 8 ,4 2 5 3 6 5 3 6 7 . a 试验9 ; b 试验1 1 ; c 试验1 2 ; [ 2 ] 刘学文,石元昌,柏其亚.烧结他0 3 陶瓷在海水中的 d 试验1 3 ; e 、 f 试验1 4 耐腐蚀性能研究[ J ] .山东大学学报,2 0 0 6 ,3 8 5 1 1 3 图3 天然橡胶和聚氨酯橡胶的试验情况。11 6 . 3 .3 .2 试验结果及分析[ 3 ] 李坊森,周万城,胡汉军,等.氮化硅多孔陶瓷制备技 通过上面几组试验可以看出,仅用橡胶材料进 术的研究进胃t r J ] .材料导报,2 0 0 8 ,2 2 1 0 1 8 - 2 1 . 行防护效果不好,而增加碳纤维与凯夫拉纤维布混 【4 ] 郭芳,张招柱,苏峰华,等.聚四氟蜡和二硫化钼填充 纺布进行综合防护可以增强防护效果,而且防护效 凯夫拉纤维织物复合材料的摩擦磨损性能研究[ J ] . 果和碳纤维与凯夫拉纤维混纺布的厚度存在正比关 摩擦学学报,2 0 0 7 ,2 7 2 1 3 7 ~1 4 1 T e s t sO i lt h eE x p l o s i o nR e s i s t a n c eC a p a c i t yo fN o n - m e t a l l i cM a t e r i a l W A N GB i n g ,L O N GY u o n ,M AH a i y a n g ,Z H O UX i a n g ,C H E NL e i E n g i n e e r i n gI n s t i t u t e0 fE n g i n e e rC o r p s 。P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e &T e c h a o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ,2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ] I nv i e w0 ft h es t a t u si nq u ot h a ts t u d yo nc o n t r o l l i n go fa d v e r s ee f f e c t so fb l a s t i n gi sf a rf r o me n o u g h , 8 0 m en o n - m e t a l l i cm a t e r i a l so fr e p r e s e n t a t i v ew e r es e l e c t e dt od e s i g na n dt op r o c e s s ,a n daS e wp r i n c i p l et e s t so ne x p l o s i o n r e s i s t a n c ec a p a c i t y0 ft h em a t e r i a l sh a v eb e e nd o n e .R e s u l t ss h o wt h a tc e r a m i c si se a s yt o 晡I l gf r a g m e n ta n dt h ea n t i k n o c k i sp o o r ;丘b e ri so fg r e a ti n t e n s i o na l t h o u g hi ti sl i g h t 。a n di t i se a s yt op r o c e s s ;C F R Pc a nb ea b l et ob e a rh i i g ht e m p e r a t u r e q u i t ew e n ,a n di se f f e c t i v eo nr e d u c i n gt h en o i s e ;K e v l a rf i b e rc l o t hh a sag o o dp e r f o r m a n c eo na n t i k n o c k ;r u b b e rh a sf l o m e e f f e c to na n t l k n o 。.k ,a n do n c ei t i sc o m p o u n d e dw i t hf i b e r ,t h ep e r f o r m a n c ew i l ls w e l lg r e a t l y . [ K E YW O R D S ] n o n 赋f t a m c 盏咖r i a l ,e x p l o s i o nr e s i s t a n c ec a p a c i t y ,c e m m i e s ,f i b e r ,r u b b e r 万方数据