典型爆炸沖擊波的作用時間為2～10ms，自由場中的沖擊波特征如圖5-1所示。炸藥或爆炸物等簡易裝置在發生爆炸后產生巨大的能量，材料受到沖擊壓縮形成應力波，并快速地向四周擴散和傳播，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不連續的超壓前端，壓力、密度和溫度在前端后部一般按指數衰減直至負壓，隨后逐步回復到基線，并將產生一個真空階段（空化），然后快速地向四周擴散和傳播，造成周圍介質劇烈破壞。沖擊波超壓峰值與炸藥的藥量、周圍環境狀況等相關。結構或固體經歷的負載可能包含許多這樣的周期性超壓和空化的循環。一旦縱向沖擊波（粒子速度平行于波速）沖擊到固體結構，必將創建某種剪切模式（垂直于波速的非零部分粒子速度）。在各向同性材料中，很容易分解這種復合模式；然而，在各向異性材料中，應力波創建許多定性不同的變形模式，使得預測固體的響應難度更大。同時，在這類材料中，可以引入新機制（耗散、共振等）用于有效防護應力波。

現代局部戰爭戰傷分析顯示，復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場威脅，其特點是即使殺傷破片或直射彈不穿透防護裝備，也能夠對單兵造成嚴重以至于致命的損傷，體現了當前一些新型武器的殺傷方式由接觸式轉化為非接觸式的特點。如近年來使用的云爆彈和溫壓彈，沖擊波脈沖周期長，能進入坑道、密閉空間等破片無法到達的地方，負壓時間長，殺傷力大。目前的單兵防護裝備對沖擊波超壓造成的腦部和胸部損傷難以實現有效防護，裝甲車鋼板也難以對爆炸沖擊波造成的車內乘員傷亡形成有效防護。現有的防護性能評價手段無法為裝備的研發提供必要的技術支撐。

長期以來，單兵防護裝備的研發主要著力于以最輕的防護材料、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、高強對位芳綸以及輕質防彈陶瓷等新型防彈材料，一方面實現了單兵防護裝備的減重，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，防護裝備抗槍彈或破片侵徹的性能指標不斷提高。然而，爆炸產生的沖擊波超壓通過防護裝備的傳播作用于人體，其能量的傳播和耗散機制與相對局部的槍彈侵徹能量傳播耗散機制存在顯著差異。沖擊波能進入破片無法到達的地方，由其他防護裝置表面的反射而加強。美軍早在20世紀80年代的研究表明，常規的單兵防護裝備并不能有效避免或減輕爆炸沖擊波對人體的傷害，反倒有可能使傷情更為嚴重。由于當時爆炸沖擊波導致的傷亡比例不高，因此美軍并未將這一問題列入裝備研究重點。

進入21世紀以來，世界范圍的熱點地區不斷發生戰爭行動，戰傷分析顯示由爆炸導致的單兵戰斗傷亡約占總傷亡比例的70%，其中沖擊波傷害約占爆炸導致的單兵戰斗傷亡的60%，大量殺傷破片復合爆炸沖擊波成為戰場主要殺傷因素，使得越來越多的軍人和平民遭受爆炸沖擊波導致的創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）和肺部損傷。創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，稱為戰爭后遺癥，傷員的癥狀可以從短暫的意識喪失到嚴重的昏迷。嚴重的爆炸沖擊波創傷性腦損傷的典型特點是廣泛的腦水腫和充血，并且發展迅速，往往在傷后一小時內發生。蛛網膜下腔出血表明損傷嚴重且預示著更嚴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引起遲發性的神經損害，這種現象在爆炸沖擊波創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，美國蘭德公司（Research and Development，RAND）評估，美軍中有 32萬服役人員或20%戰士受爆炸沖擊波創傷性腦損傷之苦，近5年美軍確診創傷后應激障礙病例4萬人。

創傷性腦損傷在戰場上可能很難被診斷（或治療），并且由于一連串的機械和生化過程，40%傷員在發病（二次損傷）后數天或數周病情會發生惡化。加利福尼亞大學圣迭戈分校對于在軍用和民用領域受輕度創傷性腦損傷傷員的最新研究表明，通過彌散張量成像（DTI）方法測量的各向異性的損傷與通過腦磁圖描記術（MEG）方法檢測到的異常緩慢的腦電波存在一定的相關性。在彌散張量成像中，各向異性的損傷是大腦白質一種清晰的結構變化，認為這種變化是由來自大腦灰質的白質纖維束的機械剪切引起分離造成的。目前，美國ARO/JIEDDO項目正在開發非常詳細的大腦模型，確定細胞損傷機制，利用這些結果及其他并行項目確定爆炸波的有效傷害范圍，并探索減輕它的技術途徑。

隨著爆炸傷的日漸頻發，目前單兵防護裝備的研究熱點是如何避免沖擊波超壓造成的創傷性損傷問題。歐美主要國家在爆炸沖擊波超壓所致頭部及肺部致傷機制、防爆炸沖擊裝備等方面設立了多項研究計劃，并取得了一些研究成果。我們的防護裝備研究也要適應戰場的發展態勢和他軍使用的武器，這對研究沖擊波不同波段的能量（以及溫度）控制機制及致傷機制提出了挑戰性。

爆炸沖擊波的波長在微米到毫米尺度量級，傳統的基于長波近似的復合材料本構模型和均勻化理論均不能體現出在沖擊波作用下微納尺度材料和結構的動態響應，因此需要發展高應變率下多尺度復合材料的本構模型，實現在構件層次上計算整體有效熱力學參量，建立聚合物復合材料對沖擊波能量的防護機制。這里需要解決兩個關鍵問題，一是建立多尺度聚合物材料在大變形、高應變率下的動態本構模型，特別是確定宏觀黏性、超彈性、模量等與微觀結構動態響應的關系；二是通過實驗測量應力波波形標定本構關系中的材料參數，如Hopkinson桿撞擊實驗、爆炸驅動或輕氣炮驅動的平板撞擊實驗及激波管實驗等，可以用毫微秒展開的應力波形來確定黏彈性材料的本構函數，這也正適用于如表5-1所示的爆炸沖擊波波長范圍。

沖擊波在多結構相聚合物復合材料中傳播的一個典型特征是頻散，即群速度和相速度隨輸入頻率發生變化。頻散是變形局部化、散射及共振等的主要誘因，進而導致應力波的大幅衰減，尤其是當局部共振發生時可以實現對某個頻段應力波的完全屏蔽。當變形尺寸及應力波波長和復合材料微觀結構尺寸相當時，這些微結構相引起的局部波在微觀尺度的反射和衍射對全局波的頻散和耗散有重要影響。

沖擊波和多尺度微結構相互作用規律復雜，表5-1提供了爆炸沖擊波波長和結構尺度的關系。爆炸沖擊波的波長在微米到毫米量級，耗散或吸收沖擊波的微結構相或材料尺度一般比波長低一個量級，在幾百納米到幾百微米量級。通過設計亞波長尺度的微結構可以實現在沖擊波波前捕獲和耗散沖擊波能量。如爆炸沖擊波，其波長在10μm～1mm范圍，頻率在2～200MHz，設計的軟涂層、硬、空心、細長夾雜物、壓電與磁致伸縮夾雜物的相應尺度在1～100μm范圍，可以減緩、重新定向和吸收爆炸沖擊波。其力學機制是對于振蕩的應力波，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波長段的應力波波動。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械能，減緩、重新定向和吸收沖擊波。結論是：對于較寬頻段的應力波波長，不可能用單一尺度材料完成各種防護功能，其材料一定是多尺度的。這里結構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構及基體/夾雜界面。這種多結構相聚合物材料能夠在高壓力強度、廣譜沖擊波頻率和振幅下防護應力波。

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

爆炸沖擊波入射脈沖能量在材料界面的反射和透射規律復雜，沖擊波以壓縮波的形式侵入聚合物體，當遇到層間界面或夾雜后以壓縮波和剪切波的復合形式傳播，因此基體和夾雜物的機械阻抗特性是分布和耗散入射脈沖能量的決定性參數。通過機制研究，進一步明確嵌段共聚物的化學結構、長度和組成是如何影響聚合物復合材料結構，以及如何影響材料主要特性，如存儲和損耗模量、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傳輸的阻抗匹配規律。

研究材料化學性質和微觀多相結構對沖擊波響應機制。爆炸沖擊波的波長在微米到毫米尺度量級，不同聚合物鏈、化學鍵、分子間相互作用，對沖擊波響應效果不同。結合聚合物復合材料的多尺度理論和計算模型，通過設計分子結構和微觀聚集態團簇結構，研制具備抗沖擊波性能的納米、微米、毫米尺度、軟硬鏈多重結構、多種能量耗散機制的復合材料，使之具有調控沖擊波路徑、基體與夾雜界面性質的功能，實現對波的折射、反射和吸收的防護機制。

多結構相聚合物材料設計和化學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，如圖5-3所示聚脲大分子結構，通過選擇不同的分子結構和微相分離結構，采用不同的聚合條件，調節材料的機械強度，重點考察模量和黏彈性參數，從抗沖擊波的測試中總結出分子結構和聚集態結構與材料抗沖擊波性能之間的關系，例如分子鏈柔性、微相分離尺度和模量等，以此指導優化分子結構，調控聚集態結構，從而篩選出能量耗散能力最強的復合材料。

通過改變不同組分的相對含量和鏈長，可以在納米尺度上調節彈性體微相分離結構的尺寸。在微觀結構的模量匹配上，可以獲得硬包軟、軟包硬或者硬包軟包硬的結構。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，在微米尺度上調節相結構的尺寸，還可以通過彈性體發泡的方法，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、分子間內摩擦、納米粒子聚團的破壞和重建、剪切增稠和通過壓電效應等方式耗散能量的效率。

爆炸沖擊波致傷機制已有大量的研究和共識。沖擊波超壓作用于機體時，第一級入射波首先會在體表發生波的反射，在體側和背部產生衍射波。對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入人體并在人體中傳播的應力波。當壓力波穿過不同密度材料界面時，上述三種形式的波都可能出現，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驗的人體肺部和頭部沖擊波超壓的耐受限值（圖5-4）。顯然有了肺部防護裝備的藍矩形連線比無防護裝備的黑菱形連線耐受更高的峰值壓力值，在圖5-4中至少提高兩個數量級。該受限值也作為軀干部和頭部防護裝備的防護效果的評價標準。

上述有關沖擊波損傷機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，但是仍有兩個問題需要深入研究：一是部分基于低速沖擊過程獲得的人體安全極限值是否對相對高速的彈體沖擊過程有效？二是在人體佩戴或穿著防護裝備后，是否會改變超壓的作用過程，是否有可能造成加重損傷的負面效果？

防護材料及防護結構是單兵防彈防爆炸沖擊技術的主要研究內容，其中如何在防護結構中控制直射彈侵徹和爆炸沖擊超壓所產生的應力波的傳遞、使其攜帶的能量在厚度和質量有限的防護層中實現吸收和耗散，是盡可能減少傳遞到身體上的沖擊能量的關鍵。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制傳遞到人體：①原發性快波：即子彈或超壓以彈性應力和變形波的方式作用于防護裝備，以聲速或高于聲速的速度到達人體表面；②變形波：即子彈在侵徹防護裝備的過程中導致防護層的彈性和塑性形變，使背彈面出現隆起變形，觸及人體表面所致。其中，沖擊波超壓則多以原發性快波的形式傳遞到人體，兩種機制具有不同的時間歷程。據此，Ken-An Lou等提出針對非貫穿性損傷的四層防護結構，其中以中間兩層即阻波層（Barrier）和壓縮緩沖層（Compression）發揮主要的吸收耗能作用。依據這一基本結構，設計了多種不同材料性能匹配的組合，利用數值模擬分析的方法對峰值為345kPa、持續時間為5ms的超壓進行模擬計算，證明了這一結構的有效性。Viano D.C等依據防彈衣結構特點建立了力學分析模型，認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生彌散，使壓力波的峰值降低，作用時間延長，從而減輕了對人體胸部的傷害。

針對以上科學問題，需要建立納米、微米和毫米多尺度計算模型，揭示宏、細、微觀結構引發的局部變形和頻散對沖擊波能量耗散的機制；發展針對多尺度非均質材料的本構理論和均勻化方法，計算復合材料整體有效熱力學參量，評估沖擊波的衰減程度，指導材料篩選和化學改性。目標是指導設計和制備出特定微觀結構應用于衰減和導引沖擊波能量，并使復合材料具有頻率選擇特性。

建立含特定尺度微結構的聚合物復合材料的理論和計算模型。主要包括：①在必要的空間和時間尺度下，并行使用粗粒化和均勻化方法，模擬彈性體動態力學性能；②在波傳播和動態加載條件下，發展有效的數值模擬計算工具（開發譜單元和流-固耦合方法）。

針對聚合物復合材料的多尺度特點，基于分層次的多尺度模擬，建立把四個基本空間尺度聯系起來的計算框架：

分子動力學（MD）計算模擬（特征尺度<10 ^-9m）。對于聚合物，MD模型已經是粗粒化模型，即原子團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能模型，采用分子動力學模擬分析聚合物材料的分子水平結構函數關系，給出聚合物團簇的存儲模量和損耗模量。存儲模量反映了聚合物的黏性性能，而損耗模量更能體現聚合物的頻率耗散性能。

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

特征尺度為10 ^-5～10 ^-3m的連續介質模型。考慮能量密度作為變量輸入輸出，建立動量方程和虛功率項的弱形式，通過有限元離散，生成含微結構聚合物復合材料的有限元模型，特別是代表性體元模型，獲得材料動態響應行為，指導材料篩選和化學改性。

用于所有更大特征尺度（>10 ^-3m）的連續介質模型。流固耦合新方法，模擬沖擊波下材料和結構的動態響應，具有了工程應用意義。

目標是發展含特定尺度微結構的聚合物復合材料的理論和計算模型，預測材料抗沖擊波能力。每一個空間尺度也與時間尺度有關，因此有相關的頻率和波長。納米尺度分子動力學計算是一個重要環節，通過在分子水平上分析聚合物材料的結構函數關系，進而指導和優化新一代抗爆炸沖擊波的聚合物材料設計。

通過不同尺度的先進聚合物的建模與模擬方法計算出復合材料的各種結構、熱力學和動態特性。針對這些模型的研究，解決以下關鍵問題：①嵌段共聚物的化學結構、長度和組成是如何影響聚合物復合材料結構形態的；②這種形態是如何影響材料的主要特性的，例如玻璃態轉變溫度、存儲和損耗模量等。模擬計算研究將緊密結合聚合物的合成和表征工作。

以上這些具有自主知識產權的研究工作與歐美主要國家并行開展。歐美軍方對其現役單兵防彈頭盔[ACH（先進作戰頭盔）和PASGT（M88，美軍服役的第一款凱夫拉頭盔）]利用激波管在實驗室條件下進行沖擊波防護效果試驗，同時采用數值模擬的方式進行分析。結果都表明，單兵在佩戴采用吊帶式懸掛系統的頭盔或無懸掛系統的頭盔時，頭盔內部枕骨部位及側面的超壓峰值及脈沖能量值都較未佩戴頭盔時顯著增加，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）]。襯墊結構的ACH頭盔在沖擊波超壓作用的數值模擬研究顯示，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殼表面與頭部的間隙間發生多次反射疊加，使超壓峰值提高，從而導致頭部更嚴重的損傷。除此之外，眼部和耳部在無防護裝備的條件下，將面臨遭受較為嚴重的沖擊傷[圖5-5（c）]。

上述分析表明，要實現對爆炸沖擊波的防護，必須對現役單兵防護裝備進行針對性的系統設計和研究。

研究聚合物復合材料防護爆炸沖擊波的機制，從宏、細、微觀尺度設計材料，制備材料樣品件，其作用是吸收、引導和耗散應力波能量，轉換沖擊壓力波成為剪切波和改變波的傳播方向遠離敏感部位。針對高壓爆炸沖擊波上升、斜坡下降、負壓各波段的幅值、作用時間和生物致傷機制的復雜性，揭示多結構相聚合物復合材料防護爆炸沖擊波的機制，具體包括提出亞波長微結構耗散沖擊波能量模型，獲得材料各向異性導引沖擊波傳播規律，建立生物致傷防護效能評估方法。

針對不同頻率的應力波，研究多尺度微結構分布及微結構相和聚合物基的力學性能對整體模量的影響規律，設計以頻率為函數的存儲和耗散模量使復合材料具有頻率選擇特性，從而實現防護沖擊波中最有害的部分。如圖5-6所示，當爆炸沖擊波從左側輸入裝備，并通過聚合物復合材料和結構系統時，應力波被重新定向、吸收、折射和反射，能量被消耗、高頻波被過濾，形成右側衰減的輸出波，屏蔽爆炸沖擊波引發的壓力和剪切應力波對被保護目標（圖中央部分）的影響。

針對由微結構形狀，聚合物基形態等引發的幾何頻散、黏彈性頻散及其伴隨的變形局部化和能量耗散機制進行系統研究。當變形尺寸及沖擊波波長和復合材料微觀結構尺寸相當時，微結構相引起的局部波在微觀尺度的反射和衍射對全局波的頻散和耗散產生重要影響。應力波在多級聚合物復合材料中傳播的一個典型特征是頻散。

研究分子特性及復合結構對材料吸波性能的控制機制，通過聚合物分子結構設計和多尺度微觀結構調控，制備高效吸收和耗散沖擊波的聚合物復合材料。探索材料分子結構和多尺度聚集態結構、黏彈性的調控方法和路線，制備黏彈性、微相尺度可調控的聚合物材料。重點考察材料的黏彈性、各種方式耗散沖擊波能量的材料以及這些材料組合的結構設計，從抗沖擊波的實驗測試中總結出材料的化學結構、聚集態結構、宏觀組合方式與材料抗沖擊波性能之間的關系，以此為指導優化材料設計，從而篩選出高效耗散和導引沖擊波的材料。

通過多組分反應和復合構建多尺度聚合物，利用多種分子間特殊相互作用，如氫鍵、離子鍵、配位鍵等實現抗沖擊波的目的，揭示材料的黏彈性對沖擊波耗散性能的影響。傳統的抗沖擊波材料通過氫鍵相互作用構建而成，功能較單一，聚合物結構不易進一步修飾，與納米粒子構成復合材料時需經過較復雜的制備過程。通過多組分多相聚合物材料的納米級和微米級結構設計，以及不同組分的黏彈性調控，綜合運用結晶破碎、相轉變，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，結合沖擊動力學、材料學和化學、軍事醫學的理論、計算和實驗研究，掌握聚合物復合材料的多級微結構形態、界面屬性、空間分布及化學性質等因素防護沖擊波能量的機制，建立包含各級微結構尺度的材料本構模型，實現能夠在宏觀結構尺度上預測聚合物復合材料在爆炸沖擊波作用下的響應規律，評估沖擊波的衰減程度，指導材料篩選和化學改性，設計制備新型裝備材料樣品，建立生物戰傷效果評估標準。突破從微納米到宏觀尺度聚合物材料設計，控制不同頻率或波長的應力波傳播特性，使材料具有吸波、導波等功能。所形成的研究成果應用于研制新一代單兵防護裝備，能夠在爆炸沖擊波強度、廣譜頻率和振幅下防護和耗散應力波，減少戰斗傷亡和戰后損傷后遺癥，提高戰場生存能力。

1.AGRAWAL V，HOLZWORTH K，NANTASETPHONG W，et al.Prediction of viscoelastic properties with coarsegrained molecular dynamics and experimental validation for a benchmark polyurea system.J Polymer Sci，2016，54：797-810.

2.張少實，莊茁.復合材料與粘彈性力學.2版.北京：機械工業出版社，2011.

3.JAN ROJEK.Implementation of a molecular dynamics coarse-grained model for studying viscoelastic properties of polyurea.清華大學與歐洲四校聯合培養計算力學碩士學位論文，2016.

4.GRUJICIC M，BELL WC，PANDURANGAN B，et al.Fluid/structure interaction computation alinvestigation of blast-wave mitigation efficacy of the advanced combat helmet.J Mater Engineer Perform，2011，20：877-893.