本发明主要涉及冲击领域，具体涉及一种用于保护引信内部部件的吸能材料。
背景技术：
吸能材料被广泛运用于军事和民用等各个领域。在军事领域中，吸能材料可用于保护引信内部元器件免受高冲击的损伤，保证引信能够在侵彻过程中正常发火；而在民用领域，如汽车领域，吸能材料可用于保护汽车上的电子元器件，降低碰撞对电子元器件的影响，保证车上元器件在碰撞时仍能够正常工作，从而保证车上人员的安全。以上过程中，经常发生多次碰撞，要求吸能材料能在多次碰撞过程中发挥吸能作用。
目前现在所用的吸能材料主要是泡沫金属材料和高分子弹性聚合物材料，泡沫金属材料可在冲击作用下发生塑性变形，吸收能量，大幅度降低冲击过载。但是这类材料在承受单次冲击后，发生了较大程度的塑性变形，导致其在接下来的冲击过程中无法发挥吸能作用，因此不适合多次冲击过程。另一类材料是高分子弹性聚合物材料(如橡胶)，该类材料具备较强的弹性，可在冲击作用后恢复弹性，但是其对单次冲击的吸能效果较差，严重影响多次冲击过程中的整体吸能效果。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种用于保护引信内部部件的吸能材料。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种用于保护引信内部部件的吸能材料，所述吸能材料为具有多次吸能缓冲效果的薄膜材料，所述吸能材料以呈网状结构的弹性聚合物作为骨架，将多孔碳材料包裹，形成包络结构。
较佳的，所述吸能材料在微观状态下具有多孔结构。
较佳的，所述吸能材料在冲击作用下多孔孔隙结构被压缩，具备吸能特性，而弹性聚合物骨架具备弹性，可产生一定程度的恢复力。
较佳的，所述多孔碳材料为活性炭颗粒、碳纳米管或石墨烯。
较佳的，所述弹性聚合物为三元乙丙橡胶。
较佳的，所述吸能材料中弹性聚合物与多孔碳材料的质量比5～20:100。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
本发明提出了一种用于保护引信内部部件的吸能材料，该吸能材料具有多孔结构，且内部的活性炭颗粒被橡胶纤维骨架连接，具有一定的弹性和可恢复特性，可用于多次冲击场景下关键器件的保护。
附图说明
图1为具有多次吸能缓冲效果的吸能材料的制备工艺流程图。
图2为开炼机的工作原理示意图。
图3为缓冲性能测试装置示意图。
图4为马歇特击锤试验装置示意图。
图5为含不同质量比的吸能材料与缓冲效率关系图。
图6为三元乙丙橡胶对吸能材料微观结构的影响，(a)-(d)分别为三元乙丙橡胶与活性炭质量比为0％，10％，20％，40％的吸能材料的电镜照片。
图7为三元乙丙橡胶对吸能材料可恢复性的影响，(a)-(c)分别为三元乙丙橡胶与活性炭质量比为0％，10％，40％的吸能材料在静压下的应力应变曲线。
图8为三元乙丙橡胶对吸能材料孔隙率的影响。
具体实施方式
本发明提出一种具有多次吸能缓冲效果的用于保护引信内部部件的吸能材料；下面结合附图和实施例予以说明。
图1所示为具有多次吸能缓冲效果的吸能材料的制备工艺流程图。包括如下步骤：
(1)将活性炭与粘结剂以干粉形式混合；其中，干粉的颗粒直径为微米量级；
(2)将混合粉末送入球磨机混合与研磨，使得混合粉末能够充分混合，并且能够被研磨为粒径更小的颗粒；
(3)将混合好的粉末送入开炼机中，将开炼机温度调到150℃，两个滚轮的速度调整为4r/min和3.2r/min，利用开炼机两个滚轮之间的压力作用和高温作用(如图2)，使得活性炭粉末与粘结剂形成碳膜；
(4)将成形的碳膜与橡胶送入开炼机中，将开炼机温度调到110℃，两个滚轮的速度调整为15r/min和12r/min，进行开炼，两轮之间较大的转速差会形成剪切力(如图2)。在剪切力和高温的作用下，橡胶成分会发生形变，形成微观纤维网络，构成空间骨架结构，将活性炭颗粒包裹在一起，形成复合薄膜材料，即本发明所述的具有多次吸能缓冲效果的吸能材料。该吸能材料在微观状态下为具有纤维状网状包络骨架的多孔结构，在宏观上具有显著的可压缩特性和弹性，可在压力作用下发生塑性变形；同时该材料具备微观纤维骨架结构，可在压力作用下恢复。
其中，橡胶为三元乙丙橡胶，其与活性炭的质量比例为0％～40％；粘结剂为偏四氟乙烯，其与活性炭质量比例为15：85。
实施例
本发明采用三元乙丙橡胶作为弹性聚合物成分，基于上述的薄膜制作工艺，制备了含不同三元乙丙橡胶/活性炭质量比的吸能材料(0％，5％，10％，15％，20％，30％，40％)，并进行了相应的性能试验。
首先进行吸能特性测试，利用马歇特击锤(南京理工大学智能弹药实验室)产生的高过载测试薄膜材料对冲击过载的吸收作用。薄膜材料即吸能材料放置在如图3所示的铝制质量块(含传感器)上下两面，并将图3中的测试装置按照图4所示，利用底部螺纹安装在锤头，通过释放锤头撞击基座，测试经过薄膜材料缓冲后的过载值。为了说明薄膜材料的缓冲性能，这里定义一个缓冲效率n：
其中，a1为未经缓冲的最大加速度峰值，a2为缓冲后的最大加速度峰值。
试验测试对薄膜样品进行四次冲击试验，其缓冲效率和三元乙丙橡胶/活性炭质量比的关系如图5所示。可以看出，薄膜材料具备优秀的吸能特性，可有效降低铝制质量块在冲击过程承受的过载。同时根据试验结果可知，第一次冲击过程中，随着三元乙丙橡胶/活性炭质量比的增加，薄膜样品的缓冲效率逐渐降低；10％是一个分界点，当质量比小于10％时，缓冲效率下降较慢，而当质量比高于10％时，缓冲效率下降较明显。而在多次冲击过程中，当质量比小于10％时，薄膜样品的多次冲击缓冲效率衰减较快，而当质量比高于10％时，薄膜样品的多次冲击缓冲效率衰减较慢。根据图5可知，加入三元乙丙橡胶可有效改善薄膜材料在多次冲击过程中的吸能特性，但也会对薄膜样品在单次冲击过程中的吸能特性产生负面影响。根据试验结果可知，质量比10％的薄膜样品在多次冲击中的综合表现较优。
本发明提出的具有多次吸能缓冲效果的吸能材料的制备方法，通过剪切与高温作用形成多孔与弹性纤维骨架结构。下面通过试验分析三元乙丙橡胶对微观结构和吸能特性的影响。
选择三元乙丙橡胶/活性炭质量比为0％、10％、20％、40％四个样品进行扫描电镜试验，如图6所示。从图6a可以看到，薄膜材料内部具有大量的孔隙，是典型的多孔材料，因此在外力作用下，可通过压缩孔隙发生塑性变形，从而吸收能量，这一点也与孔隙率试验结果相符合。图6b和图6c的电镜照片显示：三元乙丙在剪切力和高温作用下，呈现纤维丝状，形成纤维包络结构，将块状活性炭颗粒被纤维状的橡胶连接在一起。因此，当薄膜在受到外力作用时，由于弹性纤维的存在，薄膜材料将具有较高的弹性，在力的作用下可发生部分弹性变形。从图6d可知，当加入过量的三元乙丙橡胶时，将会严重影响孔隙结构，大量的孔隙被橡胶填充，可以推测该材料的塑性变形吸能将会下降，弹性会得到较大的提高。
所述薄膜材料的吸能特性，薄膜材料样品依次放入压汞仪(美国康塔仪器公司，poremastergt60)，汞在加压状态下可以进入样品内部，且进入的孔的大小与压力符合washburn方程，控制不同的压力，即可测出压入孔中汞的体积，由此得到对应于不同压力的孔径大小的累积分布曲线或微分曲线。结合图8，三元乙丙橡胶/活性炭质量比为0％、10％、20％和40％的薄膜，其孔隙率分别为50.678％、45.608％、32.62％和14.236％。薄膜内部存在较多的孔隙，是典型的多孔类材料，可在压力作用下发生孔隙压缩，产生塑性变形，将动能转换成材料的变形能，达到缓冲效果。且随着三元乙丙橡胶质量比的增加，其内部孔隙率逐渐下降，因此利用塑性变形吸收能量的能力也会随之下降。
所述薄膜材料的可恢复特性，薄膜材料样品被放到万能材料试验机下，利用万能材料试验机对其进行缓慢均匀的压力加载，并实时记录加压过程中力的变化与材料厚度的变化，由此可得应力应变曲线；对薄膜样品进行连续4次的加载与卸载试验，如图7所示。从应力应变曲线的变化可以看出，材料的弹性对三元乙丙橡胶/活性炭的质量比具有良好的响应关系。当压力从0增大到12.81mpa时，三元乙丙橡胶/活性炭质量比为0％的薄膜在四次加载下的应变为0.357、0.234、0.178、0.156；三元乙丙橡胶/活性炭质量比为10％的薄膜在四次加载下的应变为0.278、0.244、0.227、0.196；三元乙丙橡胶/活性炭质量比为40％的薄膜在四次加载下的应变为0.138、0.128、0.120、0.119。上述试验说明，随着三元乙丙橡胶质量的增加，薄膜在多次加载过程中的应变变化减小，反映为材料的弹性增强，产生的塑性变形减小。
1.一种用于保护引信内部固件的吸能材料，其特征在于，所述吸能材料为薄膜材料，以呈网状结构的弹性聚合物作为骨架，将多孔碳材料包裹其中，形成具有多孔孔隙结构的包络结构。
2.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述吸能材料具有多次吸能缓冲效果。
3.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述吸能材料在冲击作用下多孔孔隙结构被压缩，具备吸能特性，而弹性聚合物骨架具备弹性，可产生一定程度的恢复力。
4.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述多孔碳材料为活性炭颗粒、碳纳米管或石墨烯中任意一种。
5.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述弹性聚合物为三元乙丙橡胶。
6.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述吸能材料中弹性聚合物与多孔碳材料的质量比5～20:100。
7.如权利要求1所述的吸能材料，其特征在于，所述吸能材料由多孔碳材料、粘结剂、弹性聚合物通过研磨细化，挤压成型，横向剪切改性得到。
技术总结