一种防护装置及其制备方法和应用

本发明涉及防弹，尤其涉及一种防护装置及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在防护建筑以及其他重要结构的设计中，抗侵彻性能已成为一个关键的性能指标。传统普通混凝土虽然在一定程度上能够抵御极端荷载引起的破坏，但其吸能能力有限，特别是在面对如爆炸碎片、子弹侵彻等高能量冲击时，通常需要增加混凝土的厚度以提供足够的防护。然而，这种增加厚度的方法不仅导致了材料成本增加，还对建筑物的设计和施工带来了诸多限制。

2、传统普通混凝土通常采用钢筋或钢纤维增韧来提高防护结构的抗侵彻性能。尽管这种方法增强了混凝土的强度和韧性，但在面对爆炸冲击等极端荷载时，混凝土的吸能能力仍显不足。当高速子弹或碎片撞击混凝土时，子弹的残余速度过高，继续对后方目标构成威胁。此外，混凝土在被穿透时常伴随着大量碎片飞溅或震塌，这些碎片本身同样会造成额外的伤害，尤其在人员密集的区域，更是增加了安全隐患。

3、此外，传统钢筋混凝土设计主要考虑到静态负载和长期使用下的抗拉强度，而在动态冲击下的吸能能力和变形能力相对有限。这使得结构在面对动态冲击如爆炸或高速撞击时，容易出现局部失效或破坏。因此，有必要研究如何进一步提高混凝土的抗侵彻性能，以有效吸收和分散冲击能量，从而满足现代军事和民用防护设施日益提高的安全需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种防护装置及其制备方法和应用，在超高性能混凝土中引入负泊松比结构，不仅提高了超高性能混凝土的吸能能力，同时利用尖角形结构的两臂设计有效偏转子弹的轨迹，从而减少其侵彻深度。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、本发明第一方面提供了一种防护装置，包括负泊松比结构板，所述负泊松比结构板位于超高性能混凝土的内部，所述负泊松比结构板的空腔中填充有所述超高性能混凝土；所述负泊松比结构板包括沿垂直于迎弹面的方向依次排列的双箭头结构层和正弦结构层，所述双箭头结构层的截面为双箭头形负泊松比结构，所述正弦结构层的截面为正弦形负泊松比结构；所述双箭头结构层中的尖角方向垂直于迎弹面，所述正弦结构层波峰与尖角结构的端部连接，所述正弦结构层位于双箭头结构层的远离迎弹面的一侧。

4、可选的，所述负泊松比结构板包括至少一层片层，每层片层包括互相连接的多个微元胞；所述微元胞的截面结构包括第一梁、第二梁和底梁围成的框架，所述第一梁和所述第二梁的头端连接，所述第一梁和所述第二梁的尾端分别张开形成尖角结构；曲线形底梁的两端分别连接所述第一梁和所述第二梁的尾端；在所述框架内部，所述第一梁和所述第二梁之间连接有尖角形横梁，且所述尖角形横梁与所述尖角结构的方向相同，在所述框架外部，所述第一梁和所述第二梁分别向尾端方向倾斜地伸出第一侧梁和第二侧梁；相邻的所述微元胞之间，所述第一侧梁和所述第二侧梁连接，所述第一梁的尾端和所述第二梁的尾端连接。

5、可选的，所述超高性能混凝土由以下重量份的组分组成：水泥360~520份、硅灰36~52份、粉煤灰36~52份、细骨料800~1000份、粗骨料800~1000份、钢纤维39~78份、水120~130份和高效减水剂5~10份。

6、第二方面，上述防护装置的制备方法，包括以下步骤：

7、s1、制备负泊松比结构板，将负泊松比结构板放置于浇筑模具中；

8、s2、拌和获得超高性能混凝土的混合料；

9、s3、将混合料浇筑到模具中，使混合料填充于负泊松比结构板内的空腔中和负泊松比结构板与浇筑模具之间的空隙中，进行养护，获得防护装置。

10、可选的，s1中，使用3d打印或注塑成型的方式制备负泊松比结构板。

11、本发明的有益效果为：

12、1、本发明在超高性能混凝土中引入负泊松比结构，极大地提升了材料的抗侵彻能力：负泊松比结构能够通过几何变形吸收和分散冲击能量，尖角形的结构设计能够有效偏转子弹的轨迹，在冲击点周围形成更广泛的应力分布区，能够有效减轻局部损伤，与超高性能混凝土复合后，能够提高超高性能混凝土的吸能能力，从而减少其侵彻深度。

13、2、本发明中的负泊松比结构中，尖角形结构和正弦形底梁结构的几何变形过程能够吸收和分散冲击能量，有效提高整体结构的吸能能力，分散的弹片进一步被超高强度混凝土中的纤维交织结构和骨料阻拦。这种设计使得超高性能混凝土板即使在较薄的情况下，仍能提供卓越的防护性能，减少弹片穿透混凝土层的风险。

14、3、本发明通过几何设计优化和材料创新，结合现代制造技术与高性能材料科学，实现了轻量化和高耐久性的完美结合。负泊松比结构的高效设计允许在不牺牲强度的情况下减轻材料重量，这不仅降低了建筑的整体负担，还减少了运输和施工成本。此外，超高性能混凝土的卓越耐久性使得该材料在恶劣环境下也能保持良好的性能，延长了建筑和设施的使用寿命，非常适合应用于对结构重量有严格要求的高安全性建筑设计，并且不仅适用于新设施的建设，也为现有结构的升级改造提供了理想选择。

技术特征：

1.一种防护装置，其特征在于，包括负泊松比结构板，所述负泊松比结构板位于超高性能混凝土的内部，所述负泊松比结构板的空腔中填充有所述超高性能混凝土；所述负泊松比结构板中包括沿垂直于迎弹面的方向依次排列的双箭头结构层和正弦结构层，所述双箭头结构层的截面为双箭头形负泊松比结构，所述正弦结构层的截面为正弦形负泊松比结构；所述双箭头结构层中的尖角方向垂直于迎弹面，所述正弦结构层波峰与尖角结构的端部连接，所述正弦结构层位于双箭头结构层的远离迎弹面的一侧。

2.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述负泊松比结构板包括至少一层片层，每层片层包括互相连接的多个微元胞；所述微元胞的截面结构包括第一梁、第二梁和底梁围成的框架，所述第一梁和所述第二梁的头端连接，所述第一梁和所述第二梁的尾端分别张开形成尖角结构；曲线形底梁的两端分别连接所述第一梁和所述第二梁的尾端；在所述框架内部，所述第一梁和所述第二梁之间连接有尖角形横梁，且所述尖角形横梁与所述尖角结构的方向相同，在所述框架外部，所述第一梁和所述第二梁分别向尾端方向倾斜地伸出第一侧梁和所述第二侧梁，相邻的所述微元胞之间，所述第一侧梁和所述第二侧梁连接，所述第一梁的尾端和所述第二梁的尾端连接。

3.根据权利要求2所述的防护装置，其特征在于，相邻片层之间，所述第一梁和所述第二梁的头端连接所述底梁的外凸位置；以所述尖角结构的角平分线为对称轴，所述微元胞左右对称。

4.根据权利要求2所述的防护装置，其特征在于，所述曲线形底梁的形状包括正弦曲线，包括对称设置的第一正弦曲线段和第二正弦曲线段，第一正弦曲线段和第二正弦曲线段在外凸位置连接。

5.根据权利要求3所述的防护装置，其特征在于，所述第一梁上，横梁的伸出位置位于所述第一侧梁的伸出位置和尾端之间，所述第二梁上，横梁的伸出位置位于所述第二侧梁的伸出位置和尾端之间；

6.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述超高性能混凝土由以下重量份的组分组成：水泥360~520份、硅灰36~52份、粉煤灰36~52份、细骨料800~1000份、粗骨料800~1000份、钢纤维39~78份、水120~130份和高效减水剂5~10份。

7.根据权利要求6所述的防护装置，其特征在于，所述水泥为52.5或52.5r普通硅酸盐水泥；

8.一种如权利要求1-7任一所述的防护装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

10.一种根据权利要求1-7任一所述的防护装置的应用，其特征在于，所述应用包括在防护设施中的应用。

技术总结
本发明提供了一种防护装置及其制备方法和应用，涉及防弹技术领域。防护装置包括负泊松比结构板，负泊松比结构板位于超高性能混凝土的内部，负泊松比结构板内的空腔中和负泊松比结构板的外围填充有超高性能混凝土；负泊松比结构板中包括沿垂直于迎弹面的方向依次排列的双箭头结构层和正弦结构层，双箭头结构层的截面为双箭头形负泊松比结构，正弦结构层的截面为正弦形负泊松比结构；双箭头结构层中的尖角方向垂直于迎弹面，正弦结构层波峰与尖角结构的端部连接。负泊松比结构能够通过几何变形吸收和分散冲击能量，尖角形的结构设计能够有效偏转子弹的轨迹，能够提高超高性能混凝土的吸能能力，从而减少其侵彻深度。

技术研发人员：张峰领,张靖航,庞锴,李景龙,孟翔宇,阎晨旭,刘科,苏同春,王鑫,郑秀芳,汤敏
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5