本發(fā)明涉及一種基于超材料的新型防爆復合裝甲結構，特別是設置彈性板的防爆復合裝甲結構，屬于防護領域。

背景技術：
以往的防爆結構的研究主要在兩個方面，一方面是基于材料本身對能量吸收的顯著作用，也就是利用材料變形吸收能量的原理研究新材料；另一方面是利用反動量原理抵抗來襲爆炸波，設計復雜的結構。這些防爆結構的設計都考慮到了高能炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸波能量極大、對目標破壞力極強，但都是將爆炸產(chǎn)生的爆炸波作為整體來考慮，用波陣面超壓大小衡量其能量大小及其對目標的破壞能力。這樣的防爆結構要么防爆性能不是很好，要么很厚、很重，例如車輛的一些復合裝甲、用于防爆建筑的鋼結構墻壁。由于高能炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸沖擊波對目標的破壞能力非常強，而且目前制作使用高能炸藥的彈藥非常容易，例如，一些局部戰(zhàn)爭中的路邊炸彈、恐怖襲擊使用的簡易爆炸裝置，因此，對防爆炸沖擊波材料與結構提出了很高的要求。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，爆炸后產(chǎn)生的爆炸波實際上可以分為兩部分，如圖1所示，I區(qū)是超壓幅值最大區(qū)域，可以稱為爆炸沖擊波（亦簡稱沖擊波，shockwave）；II區(qū)是以動量為主的區(qū)域，可以稱為爆炸壓力波（亦簡稱壓力波，pressurewave）。為此，爆炸波對目標的破壞可以分為兩個階段，第一階段是沖擊波對目標的沖擊效應導致目標產(chǎn)生預先的結構破壞，第二階段是壓力波對已產(chǎn)生結構預破壞的目標產(chǎn)生加劇破壞?；诖朔N爆炸波的兩階段破壞理論，設計一種基于超材料層的新型防爆復合結構。超材料層是由多個具有負等效質(zhì)量或負等效模量的微結構組成，每一個微結構是一個沖擊振動吸收器?；谂ｎD第二定律F=m*a，當質(zhì)量m為負時，加速度a便與外力F的方向完全相反，因此，微結構的主要屬性就是具有負等效質(zhì)量，使來襲沖擊波從另外的方向彈回去，從而避免了沖擊波對目標的結構破壞。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有防爆技術要么采用大變形吸能材料、要么使用反動量原理的復雜結構，導致防爆結構一般很厚、很重或者造價昂貴的問題，提供一種基于超材料的新型防爆復合結構。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。一種防爆復合裝甲結構，從外向內(nèi)依次包括超材料層、結合層、吸能緩沖層，其中超材料層與吸能緩沖層通過結合層結合，在超材料層的外部設置彈性板，所述的彈性板和超材料層之間設置多個金屬彈簧。作為優(yōu)選，所述的金屬彈簧為多排結構，每排為多個。作為優(yōu)選，彈性板和/或超材料層為金屬-非金屬球體系統(tǒng)組成的微結構，所述金屬-非金屬球體系統(tǒng)組成的微結構包括：金屬球體、彈性材料、基體材料；基體材料把由彈性材料包裹著的金屬球體嵌入到基體材料中。作為優(yōu)選，彈性材料為球體，其中彈性材料與金屬球體為同圓心球；基體材料為正方體，其中正方體的中心位于彈性材料的圓心位置。作為優(yōu)選，所述彈性材料（5）是橡膠材料；所述基體材料是環(huán)氧樹脂材料，金屬球體為銅或鐵材料。作為優(yōu)選，其中金屬球體的直徑為R1，彈性材料的直徑是R2，基體材料的正方體的邊長為L，上述三種尺寸的最佳關系式如下：R2/L=a*Ln(R1/R2)+b*（R1/R2）+c；其中Ln是對數(shù)函數(shù)，a,b,c為系數(shù)，0.02<a<0.03,0.07<b<0.08,0.75<c<0.84；其中4.5mm<R1<9.0mm；6.0mm<R2<10.5mm；7.0mm<L<11.5mm；0.75<R1/R2<0.86；0.79<R2/L<0.91。作為優(yōu)選，a=0.025，b=0.074，c=0.8。作為優(yōu)選，隨著R1/R2的增加，a不斷減小，b、c不斷增加。作為優(yōu)選，彈性板中各組分的重量配比是：環(huán)氧樹脂50～60，多胺類固化劑10～16，金屬粉20～30，其余為石粉增強粒子。作為優(yōu)選，環(huán)氧樹脂55，多胺類固化劑13，金屬粉25，其余為石粉增強粒子。采取本發(fā)明可以取得如下的技術效果：1、通過在彈性板和超材料層之間設置多個金屬彈簧，進一步提高防爆性能。2、對比已有技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明將高能炸藥產(chǎn)生的爆炸波分為超壓幅值最大的爆炸沖擊波和后續(xù)以動能/沖量為主的爆炸壓力波兩部分來考慮，把爆炸波對目標的破壞分成爆炸沖擊波會對目標的預先結構破壞和爆炸壓力波對有缺陷結構的加劇破壞兩個階段，更貼近于實際，在這種理論基礎上設計的防爆結構能有效阻隔爆炸沖擊波、更容易吸收爆炸壓力波，因此提高了結構的防爆能力，在同等造價條件下，相比現(xiàn)有的防爆結構，防爆性能要提高30%~50%。3、如果與現(xiàn)有防爆結構具有相當防爆能力時，可以更輕更薄，質(zhì)量輕約30%，能使武器裝備的機動性能大大提高。4、設計的新型防爆復合結構可以應用于多種武器裝備的防護，例如主戰(zhàn)坦克、輕型裝甲車輛車體防護，尤其是防地雷反伏擊車的底部防護結構，還有飛機等，大大提高這些武器裝備在戰(zhàn)場上的生存能力；應用于防暴警車，使之免遭恐怖襲擊中炸彈的破壞。也可應用于重要建筑物的墻體結構，例如軍事指揮中心、核電設施等，防止重要目標在戰(zhàn)爭中、恐怖襲擊中受到彈藥攻擊。5、本發(fā)明通過涉及最優(yōu)化的彈性材料的尺寸，可以使得防爆效果達到最優(yōu)。附圖說明圖1高能炸藥產(chǎn)生的爆炸波隨時間衰減特性；圖2是實施例1的基于超材料的三層新型防爆復合結構；圖3是實施例2的基于超材料的三層新型防爆復合結構；圖4是實施例1的微結構形式為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的超材料結構；圖5實施例2的微結構形式為金屬-非金屬球體質(zhì)量系統(tǒng)的超材料結構。其中，1—超材料層、2—結合層、3—吸能緩沖層、4—金屬球體、5—彈性材料、6—基體材料、7—彈性板。具體實施方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1圖2展示了本發(fā)明實施例1的結構示意圖。如圖1所示，一種基于超材料的新型防爆復合結構，從外向內(nèi)依次包括超材料層1、結合層2、吸能緩沖層3。其中超材料層1與吸能緩沖層3通過結合層2結合。其中超材料層1為金屬-非金屬球體系統(tǒng)組成的微結構。如圖5所示，所述的多個微結構組合在一起形成超材料層。作為優(yōu)選，結合層2為水溶性酚醛。所述吸能緩沖層3包括凱夫拉高吸能率材料、陶瓷脆性材料，或者蜂窩材料、泡沫鋁材料加工成的實心或空心狀結構。吸能緩沖層的凱夫拉的物理參數(shù)：強度為3.6GPa，伸長模量為131GPa，斷裂伸長率為2.8%，密度為每立方厘米1.44克。所示的微結構如5所示。所述金屬-非金屬球體系統(tǒng)組成的微結構包括：金屬球體4、彈性材料5、基體材料6；金屬球體4充當質(zhì)量塊；彈性材料5，起到彈簧的作用；基體材料6把由彈性材料5包裹著的金屬球體4嵌入到基體材料6中。其中作為優(yōu)選，金屬球體為銅或鐵等金屬材料；銅的物理參數(shù)：密度為8.9g每立方厘米，屈服極限是200MPa。所述彈性材料5為橡膠材料，優(yōu)選為聚丙烯，聚丙烯的物理參數(shù)：密度為0.85～0.91g每立方厘米。所述基體材料6為環(huán)氧樹脂材料，優(yōu)選為E-51環(huán)氧樹脂，物理參數(shù)：1.18克/立方厘米彈性模量大約1GPa，泊松比為0.38。超材料層1、結合層2、吸能緩沖層3的厚度分別1-2cm,0.05-0.15cm，1.5-2.5cm。優(yōu)選分別是1.5cm，0.08cm，2cm。作為優(yōu)選，彈性材料5為球體，其中彈性材料5與金屬球體為同圓心球；基體材料6為正方體，其中正方體的中心位于彈性材料5的圓心位置。將由超材料層1、結合層2和吸能緩沖層3組成的新型防爆復合結構在爆炸洞內(nèi)進行高能炸藥作用下防護效應及其后效試驗，利用壓力傳感器測試復合結構周圍的超壓值，發(fā)現(xiàn)復合結構后面的超壓不至于使有生力量死亡，起到了很好的防爆效果。與相當價格、同樣厚度的裝甲鋼相比，新型防爆復合結構對高能炸藥爆炸效應的防護能力提高了40%左右。在理論模擬和實際試驗中發(fā)現(xiàn)，作為金屬球體體積不能過大，如果過大，則導致微結構的重量過大，造成坦克、車輛等車體運行緩慢，耗油過多，同樣，金屬球體4體積不能過小，如果過小，會造成微結構的密度過小，無法起到充當質(zhì)量塊的作用；對于彈性材料5，體積不能過大，如果體積過大，會整體造成微結構密度過小，使得金屬球體充當質(zhì)量塊的作用減弱，而且會造成整個微結構體積過大，如果彈性材料5的體積過小，則起不到利用彈性材料進行緩沖的作用；對于基體材料6，也應該滿足一個最佳的尺寸，如果基體材料尺寸過小，則起不到保護彈性材料的作用，如果基體過大，則造成尺寸過大，使得金屬球體的質(zhì)量塊作用減弱，使得彈性材料在整個微粒結構中的比例降低，從而降低整個微結構的緩沖作用。因此對于金屬球體4、彈性材料5、基體材料6的尺寸關系應該滿足一個最優(yōu)的關系。其中金屬球體的直徑為R1，彈性材料的直徑是R2，基體材料的正方體的邊長為L，通過數(shù)值模擬和大量的試驗得到了上述三種尺寸的最佳關系式如下：R2/L=a*Ln(R1/R2)+b*（R1/R2）+c;其中Ln是對數(shù)函數(shù)，a,b,c為系數(shù)，0.02<a<0.03,0.07<b<0.08,0.75<c<0.84；其中4.5mm<R1<9.0mm；6.0mm<R2<10.5mm；7.0mm<L<11.5mm；0.75<R1/R2<0.86；0.79<R2/L<0.91作為優(yōu)選，a=0.025，b=0.074，c=0.8。作為優(yōu)選，隨著R1/R2的增加，a不斷減小，b、c不斷增加。通過上述結構的優(yōu)化，可以得到最佳的尺寸，通過上述微顆粒的尺寸，能夠使得在最優(yōu)化的尺寸結構下達到最佳的防爆效果。在最小防爆層質(zhì)量的情況下達到最佳的防爆效果。由多個金屬-非金屬球體系統(tǒng)組成的微結構排列而組成的超材料層1，能改變第一階段爆炸沖擊波傳播方向，阻止沖擊波使之不能進入結構內(nèi)部或極大減弱進入結構內(nèi)部的沖擊波，以至于目標結構不產(chǎn)生預破壞效應。利用高速攝像測試與分析技術，發(fā)現(xiàn)微結構形式為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的超材料層對TNT、60TNT/40RDX這2種炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波都能起到有效的阻隔，明顯看到?jīng)_擊波方向改變。作為優(yōu)選，超材料層1中，從外部向內(nèi)部，金屬球體的體積逐漸減少，即金屬球體的質(zhì)量比重逐漸降低。通過實驗發(fā)現(xiàn)，此種情況的設置能夠提高10%左右的防爆能力。作為優(yōu)選，超材料層1中，從外部向內(nèi)部，彈性材料的體積逐漸增加，主要是隨著向內(nèi)部延伸，彈性越來越大，逐漸增加彈性緩沖，同時逐漸降低基體材料的比重。通過實驗發(fā)現(xiàn)，此種情況的設置能夠提高10%左右的防爆能力。實施例2：實施例2是在實施例1的基礎上進一步的改進。如圖3所示，一種基于超材料的新型防爆復合結構，從外向內(nèi)依次包括超材料層1、結合層2、吸能緩沖層3。上述三層的結構的成分等與實施例1相同，就不在進一步描述。實施例2進一步在超材料層1的外部設置彈性板7，所述的彈性板7和超材料層1之間設置多個金屬彈簧，所述的金屬彈簧為多排結構，每排為多個。作為優(yōu)先，彈性板7可以是和超材料層相同的成分，即也是由圖5所示的微結構組成。當然，本發(fā)明研發(fā)了一種新的彈性板7，彈性板中各組分的重量配比是：環(huán)氧樹脂50～60，多胺類固化劑10～16，金屬粉20～30，其余為石粉增強粒子。其中本發(fā)明通過增加環(huán)氧樹脂的比例來增加彈性，同時又通過調(diào)節(jié)金屬粉和石粉的成分比例來達到滿足防爆需要。作為優(yōu)選，環(huán)氧樹脂55，多胺類固化劑13，金屬粉25，其余為石粉增強粒子。作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂可采E-51或E-44。多胺類固化劑可采用聚醚胺類和二乙烯三胺混合固化劑。石粉增強粒子可采用重質(zhì)BaSO4、氫氧化鋁或碳酸鈣。本發(fā)明還提供了采用以下步驟的方法制備上述的彈性模型材料：1）在容器中先放入環(huán)氧樹脂，再向其加入聚醚胺類和二乙烯三胺混合固化劑，充分攪拌均勻，然后加入金屬粉和石粉增強粒子，并不斷攪拌，直到混合均勻為止；2)將步驟1中攪拌均勻的物質(zhì)倒入事先準備好的模具中，然后在室溫下固化24小時，即可得到所述的防撞擊的彈性材料。作為優(yōu)選，如圖4所示，在彈簧中進一步設置彈性片，所述的彈性片可以是與彈性板相同的材料，也可以是與超材料層相同的材料。通過設置彈簧以及彈性片，可以使得超材料層的厚度降低，從而節(jié)省成本。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。