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应变率敏感型凝胶材料的开发及其应用

应变率敏感材料具有特殊的动态力学性能:一方面在准静载荷下表现柔软并具有一定的流动性,另一方面在受到快速冲击时,则呈现为具有较好弹性的高弹固体或刚性较大的固体。


然而,自发现并被合成以来,长期未找到该材料的应用场景。直至 2007年,Richard Palmer 将其与发泡聚氨酯复合,发现其具有优良的抗冲击性能,并应用于各类运动防护用品后,才逐渐为世人所知,并且逐渐在运动装备、汽车(新能源汽车)防撞、桥梁减振隔震、隔声吸声等领域推广应用。


材料性能特点:该材料具有优良的应变率敏感性,具有自感应、自适应、响应快等特点,相同应变条件下,随着应变率的增加,应力值增加明显。


如图1所示的智能凝胶在不同应变率条件下的冲击应力-应变曲线,凝胶材料呈现明显的率敏感性。图中红点为某型天然橡胶在3000s-1应变率,0.3应变条件下的应力值,明显小于柔性凝胶在同等条件下的应力值,即凝胶的抗冲击效果显著优于天然橡胶。


图1 聚硼硅氧烷在不同应变率条件下的冲击应力-应变曲线


该智能材料可与PU、TPE、TPU、EVA等材料共混为柔软固态的弹性体,也可用于涤纶、芳纶、尼龙等织物表面涂覆为涂层织物。


与传统防护材料特别是传统高分子基防护材料相比,使用本项目研制的智能材料所开发的防护产品,质量轻、响应快、舒适性好、高低温性能维持率高、防护性能强,特别是缓冲吸能性能可较传统高分子防护材料增强 20%-80%。


在我国军用、警用的个人防护装备上具有较广阔的市场空间,可应用在吸能减震、缓冲、复合材料的改性材料领域,用来防止和减少运动物体的冲击、穿刺、切割、撕裂、拉伸所带来的伤害和损害,拥有防冲击、防破片、防锥刺、防切割、防砍、防砸、防链锯切割和防飞溅等功能。


具体产品主要包括警用、军用防护装备,如防爆服 、护膝、护肘、手套、头盔及防弹衣,以及空降兵用缓冲军用鞋垫及军靴等。


具体应用展示:


1、护具性能


表2 凝胶材料与美军护具材料的力学性能测试对比(常温性能测试)

材料

硬度

透过力(单位:KN)

凝胶材料

35

3.4

美军护具

40

5.9


表3 凝胶材料与美军护具材料的力学性能测试对比(50℃高温性能测试)

样品

透过力(单位:KN)

凝胶材料

14

美军护具

20


表4 凝胶材料与美军护具材料的力学性能测试对比(-20℃低温性能测试)

样品

透过力(单位:KN)

凝胶材料

10.8

美军护具

12.1


表2-表4为凝胶材料与美军现役护具所使用的材料,依照国际通用标准EN1621-2进行测试后的结果,从表2-表4可以看出,凝胶材料在无论在常温、高温、低温测试中,展现的抗冲击力学性能均比现有的美军护具材料的抗冲击性能优良(透过力数值越小材料性能越好)。


由此可见,凝胶材料产品优于美国军队现役护具的水平,在高温(50℃)条件下,优势更加明显。



2、手套


手套手背手指采用凝胶材料改性PVC制作防层、手心采用凝胶材料改性EVA制作防冲击层,ANSI/ISEA 138-2019进行防撞测试,性能指标达到2级(1级≤9.0KN、2级≤6.5KN、一级≤4.0KN)



表5 凝胶材料改性EVA制作手套防撞性能对比(KN)

手指

EVA

5mm

凝胶材料改性EVA

3mm

拇指

17.5

16.56

食指

17.6

16.03

中指

无名指

小指

平均

17.49

17.51

17.51

17.52

15.85

15.62

15.76

15.96

表5中,5mm厚度EVA材料和3mm改性EVA材料制作手套防护层,防撞效果相当,使用凝胶材料可以大幅降低手套重量,防护部位可降低30%以上。


3、防护头盔


通过应用智能流变凝胶改性后的芳纶材料,成功的将我军现役战斗机头盔(裸盔)重量从350g降低到275g,减重20%以上,目前处于国内领先地位。在80J的冲击下,重力加速度降低198G。(标准为低于400G)


4、鞋材


凝胶材料应用于匹克公司的“态极”跑鞋,凝胶材料改性EVA作为缓冲层,穿着舒适,吸能效果好,降低高强度运动的疲劳度。图3为跑步速度11km/h时,各类跑鞋脚后跟出的加速度,peak3为凝胶改性EVA材料,其加速度最小,抗冲击吸能效果优于国际品牌阿迪、亚瑟士、斯凯奇。


图3 11km/h脚后跟处加速度


5、防爆防弹板


通过添加到PU发泡板中提高板材的防爆性能,目前在导弹导引头防护上试用,贴在导引头的防护玻璃板后,已通过防爆检测。


应用效果:

在应用方面,团队经过七年的研发,设计并完成了该材料的中试生产工艺,申请中国发明专利两项,实用新型专利两项,均已获得授权。目前已具备日产聚硼硅氧烷500kg的生产能力,并根据各类防护领域的需要,发展出了6个牌号的产品。目前我们的产品已在军用单兵防护用品、劳保防护用品、运动防护用品,运动鞋材等领域得到了广泛应用。


来源:西安理工大学


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