面向實際需求 開展爆炸與衝擊防護材料與技術研究

——中國科學院力學研究所魏延鵬正高級工程師

在工程中，爆炸與衝擊防護材料應用廣泛。中國科學院力學研究所魏延鵬長期致力於爆炸與衝擊防護材料與技術研究，在柔性智慧防護材料（FIAM）技術研究、基於梯度缺陷的高溫氣冷堆精細防護裝置研究、材料動態力學性能全場測試系統等領域取得一系列基礎研究成果。同時，面向衝擊防護的重大社會需求，開展深入廣泛的産學研合作。基於 FIAM柔性智慧抗衝擊因子技術體系，在柔性護膝護肘、抗衝擊耐振型電子灌封膠等領域取得重要産業化成果。

1 柔性智慧防護材料及其應用

面向衝擊防護的重大社會需求，以魏延鵬為核心的研發團隊成功開發出能夠實現物化調控的 FIAM柔性智慧抗衝擊因子，該因子在介觀 -微觀尺度具備應變率增強特徵，可以通過微結構、分子和原子等不同層面與傳統工程材料結合，在不改變材料初始性狀的條件下，提升對外部衝擊載荷智慧響應能力，對諸多工程材料具有出色的相容性和廣譜的賦能效應。同時，形成了基於衝擊環境的材料工藝反向調控方法，解決了 FIAM因子的批量化生産問題及制約工業大批量生産的粉末化工藝，部分技術處於國際領先水準。基於 FIAM柔性智慧抗衝擊因子技術體系，團隊于 2021年 12月成立北京中科力信科技有限公司。公司開發的多種産品通過了相關部門的檢測與認證，已經在部分領域定型應用。例如：推動 ⃞性護膝護肘研發及産品落地，2022年 10月，項目獲北京市科學技術委員會懷柔科學城落地專項支援；推動京東方科技集團股份有限公司與北京中科力信科技有限公司戰略合作達成，基於 FIAM因子優化有機發光二極體（OLED）柔性顯示模組抗衝擊性，使多層複合模組性能提高 30%以上。此外，魏延鵬帶頭研發適用於多種場景的抗衝擊耐振型電子灌封膠，具有優異的抗衝擊振動性能，廣泛應用於電子元器件衝擊信噪比提升、賦能動力電池等領域。

2 基於梯度缺陷的高溫氣冷堆精細防護裝置

針對我國最新一代高溫氣冷堆堆心結構的精細化防護要求，魏延鵬提出了梯度缺陷筒的主動控制方法以調控壓潰歷程，並通過賦予不同的梯度參數獲取不同趨勢的壓潰力演化特徵。在經典薄壁圓筒基礎上，將人工預制缺陷以內外環交疊的形式佈置于筒壁上，其深度線性遞減，形成了梯度缺陷筒結構。利用理論和數值模擬方法，深入探討了上述參數的合理範圍及其對屈曲歷程的影響規律。進行的原理驗證試驗表明，梯度缺陷筒表現出了優異的吸能特性和抗側向擾動能力，能保持理想的圓環形屈曲模式和穩定的吸收歷程，獲得了總體設計單位的肯定。該裝置實現了在非穩定載入條件下對吸能壓潰歷程的精確預測及主動控制，已應用於我國最新的高溫氣冷堆核電站示範工程中，並有望在多類吸能構件上推廣應用。

圖 1 魏延鵬團隊

3 材料動態力學性能全場測試系統

針對我國高鐵動態損傷評估及碰撞吸能優化需求，魏延鵬建立了一整套適用於高鐵典型車用金屬材料（如 5/6/7係鋁合金、碳鋼等）、車用焊縫材料（如焊縫母材、焊縫熱影響區等）、車用複合材料（如玻璃鋼、碳纖維複合材料等）的動態力學性能測試方法，以霍普金森桿為基礎，結合自主開發的數字圖像相關法（3D-DIC）技術及高性能光子多普勒測速系統（PDV系統），形成了能夠對金屬材料及結構材料進行全場精細化動態損傷評估及失效參數獲取方法，相關成果發表于 Materials Science and Engineering:A、Acta Mechanica Sinica等力學期刊上，登記軟體著作權 1件，形成數據庫 1套。該方法已與中車集團聯合形成企業標準用於車用材料體系的標準化動態力學性能測試。

4 高速交會模擬試驗測試系統

高鐵列車動模型是中國科學院力學研究所自主研發的高速模擬裝備，魏延鵬面向引信行業需求，將此套裝備進行改造並推動其産業應用。採用空氣炮驅動技術、雙活塞柔性牽引技術、磁感應渦流制動技術等技術手段，完成有效載荷品質 50 kg、雙向相對速度 450 m/s、加速距離 35 m、減速距離 40 m的雙向交會平臺建設；實現發射控制系統、自動裝卸系統、數據採集系統等子系統的遠端精細控制，技術成熟度 7級。該裝備直接解決了行業痛點，形成高速交會模擬試驗測試系統，創造技術開發收入 2000余萬元。

5 智慧純吸式除塵減霾清潔機

魏延鵬團隊基於二相流衝擊理論創新提出了基於高速流固耦合的揚塵分離過濾系統並形成智慧純吸式除塵減霾清潔機産品，該産品在 4000立方米/h的超大通量條件下，能夠實現細顆粒物及以下顆粒物過濾效率達到 99.5%以上，有效解決了大氣顆粒物及揚塵的治理問題。現階段，該産品已由北京中科健德科技有限公司進行轉化，實現量産設備 4600余臺，在北京、西安、太原等 30余座城市進行規模化應用，污染治理面積 5000余萬平方米，實現經濟收入超 3億元。該技術獲得遼寧省科學技術進步獎三等獎、第十屆中國技術市場協會金橋獎二等獎等獎勵。

6 結語

魏延鵬立足於強衝擊環境防護領域，面向國家重大需求及市場前景，致力於基礎研究及重大成果的産業化工作，在柔性智慧抗衝擊技術、基於梯度缺陷的高溫氣冷堆精細防護裝置、材料動態力學性能全場測試系統等領域取得突破。下一步，他將攜團隊開拓市場，面向衝擊防護的重大需求，打造國內力學抗衝擊防護領域的獨角獸企業，為爆炸與衝擊防護材料産業發展作出積極貢獻。