典型爆炸沖擊波的作用時(shí)間為2～10ms，自由場(chǎng)中的沖擊波特征如圖5-1所示。炸藥或爆炸物等簡(jiǎn)易裝置在發(fā)生爆炸后產(chǎn)生巨大的能量，材料受到?jīng)_擊壓縮形成應(yīng)力波，并快速地向四周擴(kuò)散和傳播，造成周圍材料的劇烈破壞，壓力驟然升高，形成超壓。非線性沖擊波包含一個(gè)不連續(xù)的超壓前端，壓力、密度和溫度在前端后部一般按指數(shù)衰減直至負(fù)壓，隨后逐步回復(fù)到基線，并將產(chǎn)生一個(gè)真空階段（空化），然后快速地向四周擴(kuò)散和傳播，造成周圍介質(zhì)劇烈破壞。沖擊波超壓峰值與炸藥的藥量、周圍環(huán)境狀況等相關(guān)。結(jié)構(gòu)或固體經(jīng)歷的負(fù)載可能包含許多這樣的周期性超壓和空化的循環(huán)。一旦縱向沖擊波（粒子速度平行于波速）沖擊到固體結(jié)構(gòu)，必將創(chuàng)建某種剪切模式（垂直于波速的非零部分粒子速度）。在各向同性材料中，很容易分解這種復(fù)合模式；然而，在各向異性材料中，應(yīng)力波創(chuàng)建許多定性不同的變形模式，使得預(yù)測(cè)固體的響應(yīng)難度更大。同時(shí)，在這類材料中，可以引入新機(jī)制（耗散、共振等）用于有效防護(hù)應(yīng)力波。

現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)傷分析顯示，復(fù)合大量爆炸殺傷破片和沖擊波超壓殺傷已成為單兵面臨的主要戰(zhàn)場(chǎng)威脅，其特點(diǎn)是即使殺傷破片或直射彈不穿透防護(hù)裝備，也能夠?qū)伪斐蓢?yán)重以至于致命的損傷，體現(xiàn)了當(dāng)前一些新型武器的殺傷方式由接觸式轉(zhuǎn)化為非接觸式的特點(diǎn)。如近年來使用的云爆彈和溫壓彈，沖擊波脈沖周期長(zhǎng)，能進(jìn)入坑道、密閉空間等破片無法到達(dá)的地方，負(fù)壓時(shí)間長(zhǎng)，殺傷力大。目前的單兵防護(hù)裝備對(duì)沖擊波超壓造成的腦部和胸部損傷難以實(shí)現(xiàn)有效防護(hù)，裝甲車鋼板也難以對(duì)爆炸沖擊波造成的車內(nèi)乘員傷亡形成有效防護(hù)。現(xiàn)有的防護(hù)性能評(píng)價(jià)手段無法為裝備的研發(fā)提供必要的技術(shù)支撐。

長(zhǎng)期以來，單兵防護(hù)裝備的研發(fā)主要著力于以最輕的防護(hù)材料、最大限度地阻擋子彈和破片的侵徹。使用超高分子量聚乙烯纖維、高強(qiáng)對(duì)位芳綸以及輕質(zhì)防彈陶瓷等新型防彈材料，一方面實(shí)現(xiàn)了單兵防護(hù)裝備的減重，另一方面也為裝備抵擋侵徹能量更高的子彈或破片提供了保障，防護(hù)裝備抗槍彈或破片侵徹的性能指標(biāo)不斷提高。然而，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓通過防護(hù)裝備的傳播作用于人體，其能量的傳播和耗散機(jī)制與相對(duì)局部的槍彈侵徹能量傳播耗散機(jī)制存在顯著差異。沖擊波能進(jìn)入破片無法到達(dá)的地方，由其他防護(hù)裝置表面的反射而加強(qiáng)。美軍早在20世紀(jì)80年代的研究表明，常規(guī)的單兵防護(hù)裝備并不能有效避免或減輕爆炸沖擊波對(duì)人體的傷害，反倒有可能使傷情更為嚴(yán)重。由于當(dāng)時(shí)爆炸沖擊波導(dǎo)致的傷亡比例不高，因此美軍并未將這一問題列入裝備研究重點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界范圍的熱點(diǎn)地區(qū)不斷發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)行動(dòng)，戰(zhàn)傷分析顯示由爆炸導(dǎo)致的單兵戰(zhàn)斗傷亡約占總傷亡比例的70%，其中沖擊波傷害約占爆炸導(dǎo)致的單兵戰(zhàn)斗傷亡的60%，大量殺傷破片復(fù)合爆炸沖擊波成為戰(zhàn)場(chǎng)主要?dú)蛩兀沟迷絹碓蕉嗟能娙撕推矫裨馐鼙_擊波導(dǎo)致的創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）和肺部損傷。創(chuàng)傷性腦損傷有別于穿透性顱腦損傷和閉合性顱腦損傷，即便戴著頭盔，由于頭盔不能有效抵御和減緩沖擊波而引起腦損傷，稱為戰(zhàn)爭(zhēng)后遺癥，傷員的癥狀可以從短暫的意識(shí)喪失到嚴(yán)重的昏迷。嚴(yán)重的爆炸沖擊波創(chuàng)傷性腦損傷的典型特點(diǎn)是廣泛的腦水腫和充血，并且發(fā)展迅速，往往在傷后一小時(shí)內(nèi)發(fā)生。蛛網(wǎng)膜下腔出血表明損傷嚴(yán)重且預(yù)示著更嚴(yán)重的腦充血和水腫以及延遲性腦血管痙攣，這種血管痙攣通常會(huì)引起遲發(fā)性的神經(jīng)損害，這種現(xiàn)象在爆炸沖擊波創(chuàng)傷性腦損傷的傷員中較在其他類型的顱腦損傷傷員中更為常見。最近，美國(guó)蘭德公司（Research and Development，RAND）評(píng)估，美軍中有 32萬服役人員或20%戰(zhàn)士受爆炸沖擊波創(chuàng)傷性腦損傷之苦，近5年美軍確診創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙病例4萬人。

創(chuàng)傷性腦損傷在戰(zhàn)場(chǎng)上可能很難被診斷（或治療），并且由于一連串的機(jī)械和生化過程，40%傷員在發(fā)病（二次損傷）后數(shù)天或數(shù)周病情會(huì)發(fā)生惡化。加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校對(duì)于在軍用和民用領(lǐng)域受輕度創(chuàng)傷性腦損傷傷員的最新研究表明，通過彌散張量成像（DTI）方法測(cè)量的各向異性的損傷與通過腦磁圖描記術(shù)（MEG）方法檢測(cè)到的異常緩慢的腦電波存在一定的相關(guān)性。在彌散張量成像中，各向異性的損傷是大腦白質(zhì)一種清晰的結(jié)構(gòu)變化，認(rèn)為這種變化是由來自大腦灰質(zhì)的白質(zhì)纖維束的機(jī)械剪切引起分離造成的。目前，美國(guó)ARO/JIEDDO項(xiàng)目正在開發(fā)非常詳細(xì)的大腦模型，確定細(xì)胞損傷機(jī)制，利用這些結(jié)果及其他并行項(xiàng)目確定爆炸波的有效傷害范圍，并探索減輕它的技術(shù)途徑。

隨著爆炸傷的日漸頻發(fā)，目前單兵防護(hù)裝備的研究熱點(diǎn)是如何避免沖擊波超壓造成的創(chuàng)傷性損傷問題。歐美主要國(guó)家在爆炸沖擊波超壓所致頭部及肺部致傷機(jī)制、防爆炸沖擊裝備等方面設(shè)立了多項(xiàng)研究計(jì)劃，并取得了一些研究成果。我們的防護(hù)裝備研究也要適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)和他軍使用的武器，這對(duì)研究沖擊波不同波段的能量（以及溫度）控制機(jī)制及致傷機(jī)制提出了挑戰(zhàn)性。

爆炸沖擊波的波長(zhǎng)在微米到毫米尺度量級(jí)，傳統(tǒng)的基于長(zhǎng)波近似的復(fù)合材料本構(gòu)模型和均勻化理論均不能體現(xiàn)出在沖擊波作用下微納尺度材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此需要發(fā)展高應(yīng)變率下多尺度復(fù)合材料的本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)在構(gòu)件層次上計(jì)算整體有效熱力學(xué)參量，建立聚合物復(fù)合材料對(duì)沖擊波能量的防護(hù)機(jī)制。這里需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是建立多尺度聚合物材料在大變形、高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，特別是確定宏觀黏性、超彈性、模量等與微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系；二是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量應(yīng)力波波形標(biāo)定本構(gòu)關(guān)系中的材料參數(shù)，如Hopkinson桿撞擊實(shí)驗(yàn)、爆炸驅(qū)動(dòng)或輕氣炮驅(qū)動(dòng)的平板撞擊實(shí)驗(yàn)及激波管實(shí)驗(yàn)等，可以用毫微秒展開的應(yīng)力波形來確定黏彈性材料的本構(gòu)函數(shù)，這也正適用于如表5-1所示的爆炸沖擊波波長(zhǎng)范圍。

沖擊波在多結(jié)構(gòu)相聚合物復(fù)合材料中傳播的一個(gè)典型特征是頻散，即群速度和相速度隨輸入頻率發(fā)生變化。頻散是變形局部化、散射及共振等的主要誘因，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力波的大幅衰減，尤其是當(dāng)局部共振發(fā)生時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)頻段應(yīng)力波的完全屏蔽。當(dāng)變形尺寸及應(yīng)力波波長(zhǎng)和復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)時(shí)，這些微結(jié)構(gòu)相引起的局部波在微觀尺度的反射和衍射對(duì)全局波的頻散和耗散有重要影響。

沖擊波和多尺度微結(jié)構(gòu)相互作用規(guī)律復(fù)雜，表5-1提供了爆炸沖擊波波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)尺度的關(guān)系。爆炸沖擊波的波長(zhǎng)在微米到毫米量級(jí)，耗散或吸收沖擊波的微結(jié)構(gòu)相或材料尺度一般比波長(zhǎng)低一個(gè)量級(jí)，在幾百納米到幾百微米量級(jí)。通過設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)尺度的微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在沖擊波波前捕獲和耗散沖擊波能量。如爆炸沖擊波，其波長(zhǎng)在10μm～1mm范圍，頻率在2～200MHz，設(shè)計(jì)的軟涂層、硬、空心、細(xì)長(zhǎng)夾雜物、壓電與磁致伸縮夾雜物的相應(yīng)尺度在1～100μm范圍，可以減緩、重新定向和吸收爆炸沖擊波。其力學(xué)機(jī)制是對(duì)于振蕩的應(yīng)力波，小尺度材料感受是平的，而非凸凹不平，用若干線段材料能夠捕捉一個(gè)波長(zhǎng)段的應(yīng)力波波動(dòng)。如果材料尺度低于1μm，可在沖擊波前端捕獲和耗散在納米尺度分子原子的機(jī)械能，減緩、重新定向和吸收沖擊波。結(jié)論是：對(duì)于較寬頻段的應(yīng)力波波長(zhǎng)，不可能用單一尺度材料完成各種防護(hù)功能，其材料一定是多尺度的。這里結(jié)構(gòu)的多尺度是指具有毫米厚度的聚合物體、微米尺度的纖維和顆粒夾雜相、納米尺度的高分子結(jié)構(gòu)及基體/夾雜界面。這種多結(jié)構(gòu)相聚合物材料能夠在高壓力強(qiáng)度、廣譜沖擊波頻率和振幅下防護(hù)應(yīng)力波。

近年來，美國(guó)海軍研究局（ONR）的研究表明，聚脲和聚氨酯已經(jīng)有效地應(yīng)用于緩解爆炸引發(fā)的失效。聚脲是一種玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（ T _g）為-60℃～-50℃的嵌段共聚物，可以很容易地進(jìn)行生產(chǎn)并噴射到鑄造金屬或其他材料的表面，它的力學(xué)性能受到溫度、壓力和應(yīng)變率的影響。已有研究表明，該類聚合物材料具有抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低、高能量耗散，以及蝙蝠狀屈服軌跡和拉伸縫隙屈服機(jī)制的基本特性（圖5-2）。如果滲入其他材料，可以改變材料的拉伸空隙現(xiàn)象，如橡膠顆粒的夾雜，可以穩(wěn)定現(xiàn)有的空隙，使其不至于形成真正的裂紋，大大增強(qiáng)材料的韌性和抗沖擊性。同時(shí)，該類聚合物。通過化學(xué)改性和納米結(jié)構(gòu)改造可以應(yīng)用于許多方面。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，它們的力學(xué)和物理屬性可以大大增強(qiáng)，特別適合在多頻段范圍內(nèi)重新定向、捕獲和耗散爆炸引發(fā)的有效應(yīng)力波。

爆炸沖擊波入射脈沖能量在材料界面的反射和透射規(guī)律復(fù)雜，沖擊波以壓縮波的形式侵入聚合物體，當(dāng)遇到層間界面或夾雜后以壓縮波和剪切波的復(fù)合形式傳播，因此基體和夾雜物的機(jī)械阻抗特性是分布和耗散入射脈沖能量的決定性參數(shù)。通過機(jī)制研究，進(jìn)一步明確嵌段共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和組成是如何影響聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以及如何影響材料主要特性，如存儲(chǔ)和損耗模量、宏觀各向異性等，掌握爆炸沖擊波在模量和密度各向異性材料界面?zhèn)鬏數(shù)淖杩蛊ヅ湟?guī)律。

研究材料化學(xué)性質(zhì)和微觀多相結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波響應(yīng)機(jī)制。爆炸沖擊波的波長(zhǎng)在微米到毫米尺度量級(jí)，不同聚合物鏈、化學(xué)鍵、分子間相互作用，對(duì)沖擊波響應(yīng)效果不同。結(jié)合聚合物復(fù)合材料的多尺度理論和計(jì)算模型，通過設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和微觀聚集態(tài)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，研制具備抗沖擊波性能的納米、微米、毫米尺度、軟硬鏈多重結(jié)構(gòu)、多種能量耗散機(jī)制的復(fù)合材料，使之具有調(diào)控沖擊波路徑、基體與夾雜界面性質(zhì)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)波的折射、反射和吸收的防護(hù)機(jī)制。

多結(jié)構(gòu)相聚合物材料設(shè)計(jì)和化學(xué)改性需要從納米到微米的多尺度研究方法著手，從軟段和硬段組合的單體出發(fā)，如圖5-3所示聚脲大分子結(jié)構(gòu)，通過選擇不同的分子結(jié)構(gòu)和微相分離結(jié)構(gòu)，采用不同的聚合條件，調(diào)節(jié)材料的機(jī)械強(qiáng)度，重點(diǎn)考察模量和黏彈性參數(shù)，從抗沖擊波的測(cè)試中總結(jié)出分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與材料抗沖擊波性能之間的關(guān)系，例如分子鏈柔性、微相分離尺度和模量等，以此指導(dǎo)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，調(diào)控聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而篩選出能量耗散能力最強(qiáng)的復(fù)合材料。

通過改變不同組分的相對(duì)含量和鏈長(zhǎng)，可以在納米尺度上調(diào)節(jié)彈性體微相分離結(jié)構(gòu)的尺寸。在微觀結(jié)構(gòu)的模量匹配上，可以獲得硬包軟、軟包硬或者硬包軟包硬的結(jié)構(gòu)。采用介電松弛譜的手段，可以表征高頻下材料的黏彈性，或者通過室溫等效原理，測(cè)定低溫低頻下的黏彈性，外推獲得常溫高頻下的黏彈性。通過兩種聚合物的共混，在微米尺度上調(diào)節(jié)相結(jié)構(gòu)的尺寸，還可以通過彈性體發(fā)泡的方法，制備含有氣孔的泡沫材料，或者在彈性體中填充微膠囊，微膠囊中包裹低模量高黏度液體。研究基體變形和界面脫粘、微膠囊破碎、基體屈服、分子間內(nèi)摩擦、納米粒子聚團(tuán)的破壞和重建、剪切增稠和通過壓電效應(yīng)等方式耗散能量的效率。

爆炸沖擊波致傷機(jī)制已有大量的研究和共識(shí)。沖擊波超壓作用于機(jī)體時(shí)，第一級(jí)入射波首先會(huì)在體表發(fā)生波的反射，在體側(cè)和背部產(chǎn)生衍射波。對(duì)人體損傷最為明顯的是以壓縮波、拉伸波以及剪切波的形式進(jìn)入人體并在人體中傳播的應(yīng)力波。當(dāng)壓力波穿過不同密度材料界面時(shí)，上述三種形式的波都可能出現(xiàn)，使人體組織和器官受到壓縮、拉伸、撕裂等多種損傷。身體中含空腔和含氣較多的組織和器官在沖擊波的作用下最為脆弱。由于頭頸部和肺部是對(duì)沖擊波超壓作用最為敏感的部位，目前，被廣泛接受的沖擊波超壓耐受限值采用Bass提出的基于大量生物實(shí)驗(yàn)的人體肺部和頭部沖擊波超壓的耐受限值（圖5-4）。顯然有了肺部防護(hù)裝備的藍(lán)矩形連線比無防護(hù)裝備的黑菱形連線耐受更高的峰值壓力值，在圖5-4中至少提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該受限值也作為軀干部和頭部防護(hù)裝備的防護(hù)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

上述有關(guān)沖擊波損傷機(jī)制研究及人體耐受限值的研究顯示，沖擊波超壓損傷問題已有大量的研究成果，但是仍有兩個(gè)問題需要深入研究：一是部分基于低速?zèng)_擊過程獲得的人體安全極限值是否對(duì)相對(duì)高速的彈體沖擊過程有效？二是在人體佩戴或穿著防護(hù)裝備后，是否會(huì)改變超壓的作用過程，是否有可能造成加重?fù)p傷的負(fù)面效果？

防護(hù)材料及防護(hù)結(jié)構(gòu)是單兵防彈防爆炸沖擊技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容，其中如何在防護(hù)結(jié)構(gòu)中控制直射彈侵徹和爆炸沖擊超壓所產(chǎn)生的應(yīng)力波的傳遞、使其攜帶的能量在厚度和質(zhì)量有限的防護(hù)層中實(shí)現(xiàn)吸收和耗散，是盡可能減少傳遞到身體上的沖擊能量的關(guān)鍵。研究表明，無論是裝甲后鈍傷（behind armour blunt trauma，BABT）還是沖擊波超壓，能量主要通過兩種機(jī)制傳遞到人體：①原發(fā)性快波：即子彈或超壓以彈性應(yīng)力和變形波的方式作用于防護(hù)裝備，以聲速或高于聲速的速度到達(dá)人體表面；②變形波：即子彈在侵徹防護(hù)裝備的過程中導(dǎo)致防護(hù)層的彈性和塑性形變，使背彈面出現(xiàn)隆起變形，觸及人體表面所致。其中，沖擊波超壓則多以原發(fā)性快波的形式傳遞到人體，兩種機(jī)制具有不同的時(shí)間歷程。據(jù)此，Ken-An Lou等提出針對(duì)非貫穿性損傷的四層防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中以中間兩層即阻波層（Barrier）和壓縮緩沖層（Compression）發(fā)揮主要的吸收耗能作用。依據(jù)這一基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多種不同材料性能匹配的組合，利用數(shù)值模擬分析的方法對(duì)峰值為345kPa、持續(xù)時(shí)間為5ms的超壓進(jìn)行模擬計(jì)算，證明了這一結(jié)構(gòu)的有效性。Viano D.C等依據(jù)防彈衣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了力學(xué)分析模型，認(rèn)為在沖擊波超壓作用過程中，具有較高峰值和短脈沖的壓力波首先作用于相對(duì)致密的防彈層，形成壓縮波傳遞到泡沫層，通過泡沫層中不同密度界面的傳遞發(fā)生彌散，使壓力波的峰值降低，作用時(shí)間延長(zhǎng)，從而減輕了對(duì)人體胸部的傷害。

針對(duì)以上科學(xué)問題，需要建立納米、微米和毫米多尺度計(jì)算模型，揭示宏、細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)引發(fā)的局部變形和頻散對(duì)沖擊波能量耗散的機(jī)制；發(fā)展針對(duì)多尺度非均質(zhì)材料的本構(gòu)理論和均勻化方法，計(jì)算復(fù)合材料整體有效熱力學(xué)參量，評(píng)估沖擊波的衰減程度，指導(dǎo)材料篩選和化學(xué)改性。目標(biāo)是指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制備出特定微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于衰減和導(dǎo)引沖擊波能量，并使復(fù)合材料具有頻率選擇特性。

建立含特定尺度微結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料的理論和計(jì)算模型。主要包括：①在必要的空間和時(shí)間尺度下，并行使用粗粒化和均勻化方法，模擬彈性體動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；②在波傳播和動(dòng)態(tài)加載條件下，發(fā)展有效的數(shù)值模擬計(jì)算工具（開發(fā)譜單元和流-固耦合方法）。

針對(duì)聚合物復(fù)合材料的多尺度特點(diǎn)，基于分層次的多尺度模擬，建立把四個(gè)基本空間尺度聯(lián)系起來的計(jì)算框架：

分子動(dòng)力學(xué)（MD）計(jì)算模擬（特征尺度<10 ^-9m）。對(duì)于聚合物，MD模型已經(jīng)是粗粒化模型，即原子團(tuán)通常用具有相互作用力的粗粒化顆粒表示。通過建立含軟硬鏈的大分子鏈勢(shì)能模型，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬分析聚合物材料的分子水平結(jié)構(gòu)函數(shù)關(guān)系，給出聚合物團(tuán)簇的存儲(chǔ)模量和損耗模量。存儲(chǔ)模量反映了聚合物的黏性性能，而損耗模量更能體現(xiàn)聚合物的頻率耗散性能。

特征尺度為10 ^-8～10 ^-6m的準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)模型。通過納米尺度分析得到的聚合物團(tuán)簇，基于存儲(chǔ)模量和損耗模量，建立粗粒化（CG）模型，從而建立聚合物單胞的物理/本構(gòu)參數(shù)。

特征尺度為10 ^-5～10 ^-3m的連續(xù)介質(zhì)模型。考慮能量密度作為變量輸入輸出，建立動(dòng)量方程和虛功率項(xiàng)的弱形式，通過有限元離散，生成含微結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料的有限元模型，特別是代表性體元模型，獲得材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，指導(dǎo)材料篩選和化學(xué)改性。

用于所有更大特征尺度（>10 ^-3m）的連續(xù)介質(zhì)模型。流固耦合新方法，模擬沖擊波下材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，具有了工程應(yīng)用意義。

目標(biāo)是發(fā)展含特定尺度微結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料的理論和計(jì)算模型，預(yù)測(cè)材料抗沖擊波能力。每一個(gè)空間尺度也與時(shí)間尺度有關(guān)，因此有相關(guān)的頻率和波長(zhǎng)。納米尺度分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過在分子水平上分析聚合物材料的結(jié)構(gòu)函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)和優(yōu)化新一代抗爆炸沖擊波的聚合物材料設(shè)計(jì)。

通過不同尺度的先進(jìn)聚合物的建模與模擬方法計(jì)算出復(fù)合材料的各種結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)這些模型的研究，解決以下關(guān)鍵問題：①嵌段共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和組成是如何影響聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)的；②這種形態(tài)是如何影響材料的主要特性的，例如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、存儲(chǔ)和損耗模量等。模擬計(jì)算研究將緊密結(jié)合聚合物的合成和表征工作。

以上這些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究工作與歐美主要國(guó)家并行開展。歐美軍方對(duì)其現(xiàn)役單兵防彈頭盔[ACH（先進(jìn)作戰(zhàn)頭盔）和PASGT（M88，美軍服役的第一款凱夫拉頭盔）]利用激波管在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行沖擊波防護(hù)效果試驗(yàn)，同時(shí)采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行分析。結(jié)果都表明，單兵在佩戴采用吊帶式懸掛系統(tǒng)的頭盔或無懸掛系統(tǒng)的頭盔時(shí)，頭盔內(nèi)部枕骨部位及側(cè)面的超壓峰值及脈沖能量值都較未佩戴頭盔時(shí)顯著增加，其中以頭頂部的增加最為顯著，超壓峰值提高了3倍[圖5-5（a）]。襯墊結(jié)構(gòu)的ACH頭盔在沖擊波超壓作用的數(shù)值模擬研究顯示，在頭盔各襯墊組件的間隙處，超壓峰值顯著高于其他部位[圖5-5（b）]。其原因在于沖擊波在頭盔內(nèi)殼表面與頭部的間隙間發(fā)生多次反射疊加，使超壓峰值提高，從而導(dǎo)致頭部更嚴(yán)重的損傷。除此之外，眼部和耳部在無防護(hù)裝備的條件下，將面臨遭受較為嚴(yán)重的沖擊傷[圖5-5（c）]。

上述分析表明，要實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)，必須對(duì)現(xiàn)役單兵防護(hù)裝備進(jìn)行針對(duì)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。

研究聚合物復(fù)合材料防護(hù)爆炸沖擊波的機(jī)制，從宏、細(xì)、微觀尺度設(shè)計(jì)材料，制備材料樣品件，其作用是吸收、引導(dǎo)和耗散應(yīng)力波能量，轉(zhuǎn)換沖擊壓力波成為剪切波和改變波的傳播方向遠(yuǎn)離敏感部位。針對(duì)高壓爆炸沖擊波上升、斜坡下降、負(fù)壓各波段的幅值、作用時(shí)間和生物致傷機(jī)制的復(fù)雜性，揭示多結(jié)構(gòu)相聚合物復(fù)合材料防護(hù)爆炸沖擊波的機(jī)制，具體包括提出亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)耗散沖擊波能量模型，獲得材料各向異性導(dǎo)引沖擊波傳播規(guī)律，建立生物致傷防護(hù)效能評(píng)估方法。

針對(duì)不同頻率的應(yīng)力波，研究多尺度微結(jié)構(gòu)分布及微結(jié)構(gòu)相和聚合物基的力學(xué)性能對(duì)整體模量的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)以頻率為函數(shù)的存儲(chǔ)和耗散模量使復(fù)合材料具有頻率選擇特性，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)沖擊波中最有害的部分。如圖5-6所示，當(dāng)爆炸沖擊波從左側(cè)輸入裝備，并通過聚合物復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)力波被重新定向、吸收、折射和反射，能量被消耗、高頻波被過濾，形成右側(cè)衰減的輸出波，屏蔽爆炸沖擊波引發(fā)的壓力和剪切應(yīng)力波對(duì)被保護(hù)目標(biāo)（圖中央部分）的影響。

針對(duì)由微結(jié)構(gòu)形狀，聚合物基形態(tài)等引發(fā)的幾何頻散、黏彈性頻散及其伴隨的變形局部化和能量耗散機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。當(dāng)變形尺寸及沖擊波波長(zhǎng)和復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)時(shí)，微結(jié)構(gòu)相引起的局部波在微觀尺度的反射和衍射對(duì)全局波的頻散和耗散產(chǎn)生重要影響。應(yīng)力波在多級(jí)聚合物復(fù)合材料中傳播的一個(gè)典型特征是頻散。

研究分子特性及復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)材料吸波性能的控制機(jī)制，通過聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多尺度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，制備高效吸收和耗散沖擊波的聚合物復(fù)合材料。探索材料分子結(jié)構(gòu)和多尺度聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、黏彈性的調(diào)控方法和路線，制備黏彈性、微相尺度可調(diào)控的聚合物材料。重點(diǎn)考察材料的黏彈性、各種方式耗散沖擊波能量的材料以及這些材料組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從抗沖擊波的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中總結(jié)出材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、宏觀組合方式與材料抗沖擊波性能之間的關(guān)系，以此為指導(dǎo)優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，從而篩選出高效耗散和導(dǎo)引沖擊波的材料。

通過多組分反應(yīng)和復(fù)合構(gòu)建多尺度聚合物，利用多種分子間特殊相互作用，如氫鍵、離子鍵、配位鍵等實(shí)現(xiàn)抗沖擊波的目的，揭示材料的黏彈性對(duì)沖擊波耗散性能的影響。傳統(tǒng)的抗沖擊波材料通過氫鍵相互作用構(gòu)建而成，功能較單一，聚合物結(jié)構(gòu)不易進(jìn)一步修飾，與納米粒子構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)需經(jīng)過較復(fù)雜的制備過程。通過多組分多相聚合物材料的納米級(jí)和微米級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及不同組分的黏彈性調(diào)控，綜合運(yùn)用結(jié)晶破碎、相轉(zhuǎn)變，剪切增稠，壓電耗散等多種能量耗散方式，制備具有良好沖擊波耗散性能的聚合物材料樣品件。

在研究中，結(jié)合沖擊動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)和化學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)的理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，掌握聚合物復(fù)合材料的多級(jí)微結(jié)構(gòu)形態(tài)、界面屬性、空間分布及化學(xué)性質(zhì)等因素防護(hù)沖擊波能量的機(jī)制，建立包含各級(jí)微結(jié)構(gòu)尺度的材料本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)能夠在宏觀結(jié)構(gòu)尺度上預(yù)測(cè)聚合物復(fù)合材料在爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)規(guī)律，評(píng)估沖擊波的衰減程度，指導(dǎo)材料篩選和化學(xué)改性，設(shè)計(jì)制備新型裝備材料樣品，建立生物戰(zhàn)傷效果評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。突破從微納米到宏觀尺度聚合物材料設(shè)計(jì)，控制不同頻率或波長(zhǎng)的應(yīng)力波傳播特性，使材料具有吸波、導(dǎo)波等功能。所形成的研究成果應(yīng)用于研制新一代單兵防護(hù)裝備，能夠在爆炸沖擊波強(qiáng)度、廣譜頻率和振幅下防護(hù)和耗散應(yīng)力波，減少戰(zhàn)斗傷亡和戰(zhàn)后損傷后遺癥，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

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