面向实际需求 开展爆炸与冲击防护材料与技术研究

——中国科学院力学研究所魏延鹏正高级工程师

在工程中，爆炸与冲击防护材料应用广泛。中国科学院力学研究所魏延鹏长期致力于爆炸与冲击防护材料与技术研究，在柔性智能防护材料（FIAM）技术研究、基于梯度缺陷的高温气冷堆精细防护装置研究、材料动态力学性能全场测试系统等领域取得一系列基础研究成果。同时，面向冲击防护的重大社会需求，开展深入广泛的产学研合作。基于 FIAM柔性智能抗冲击因子技术体系，在柔性护膝护肘、抗冲击耐振型电子灌封胶等领域取得重要产业化成果。

1 柔性智能防护材料及其应用

面向冲击防护的重大社会需求，以魏延鹏为核心的研发团队成功开发出能够实现物化调控的 FIAM柔性智能抗冲击因子，该因子在介观 -微观尺度具备应变率增强特征，可以通过微结构、分子和原子等不同层面与传统工程材料结合，在不改变材料初始性状的条件下，提升对外部冲击载荷智能响应能力，对诸多工程材料具有出色的相容性和广谱的赋能效应。同时，形成了基于冲击环境的材料工艺反向调控方法，解决了 FIAM因子的批量化生产问题及制约工业大批量生产的粉末化工艺，部分技术处于国际领先水平。基于 FIAM柔性智能抗冲击因子技术体系，团队于 2021年 12月成立北京中科力信科技有限公司。公司开发的多种产品通过了相关部门的检测与认证，已经在部分领域定型应用。例如：推动 ⃞性护膝护肘研发及产品落地，2022年 10月，项目获北京市科学技术委员会怀柔科学城落地专项支持；推动京东方科技集团股份有限公司与北京中科力信科技有限公司战略合作达成，基于 FIAM因子优化有机发光二极管（OLED）柔性显示模组抗冲击性，使多层复合模组性能提高 30%以上。此外，魏延鹏带头研发适用于多种场景的抗冲击耐振型电子灌封胶，具有优异的抗冲击振动性能，广泛应用于电子元器件冲击信噪比提升、赋能动力电池等领域。

2 基于梯度缺陷的高温气冷堆精细防护装置

针对我国最新一代高温气冷堆堆心结构的精细化防护要求，魏延鹏提出了梯度缺陷筒的主动控制方法以调控压溃历程，并通过赋予不同的梯度参数获取不同趋势的压溃力演化特征。在经典薄壁圆筒基础上，将人工预制缺陷以内外环交叠的形式布置于筒壁上，其深度线性递减，形成了梯度缺陷筒结构。利用理论和数值模拟方法，深入探讨了上述参数的合理范围及其对屈曲历程的影响规律。进行的原理验证试验表明，梯度缺陷筒表现出了优异的吸能特性和抗侧向扰动能力，能保持理想的圆环形屈曲模式和稳定的吸收历程，获得了总体设计单位的肯定。该装置实现了在非稳定加载条件下对吸能压溃历程的精确预测及主动控制，已应用于我国最新的高温气冷堆核电站示范工程中，并有望在多类吸能构件上推广应用。

图 1 魏延鹏团队

3 材料动态力学性能全场测试系统

针对我国高铁动态损伤评估及碰撞吸能优化需求，魏延鹏建立了一整套适用于高铁典型车用金属材料（如 5/6/7系铝合金、碳钢等）、车用焊缝材料（如焊缝母材、焊缝热影响区等）、车用复合材料（如玻璃钢、碳纤维复合材料等）的动态力学性能测试方法，以霍普金森杆为基础，结合自主开发的数字图像相关法（3D-DIC）技术及高性能光子多普勒测速系统（PDV系统），形成了能够对金属材料及结构材料进行全场精细化动态损伤评估及失效参数获取方法，相关成果发表于 Materials Science and Engineering:A、Acta Mechanica Sinica等力学期刊上，登记软件著作权 1件，形成数据库 1套。该方法已与中车集团联合形成企业标准用于车用材料体系的标准化动态力学性能测试。

4 高速交会模拟试验测试系统

高铁列车动模型是中国科学院力学研究所自主研发的高速模拟装备，魏延鹏面向引信行业需求，将此套装备进行改造并推动其产业应用。采用空气炮驱动技术、双活塞柔性牵引技术、磁感应涡流制动技术等技术手段，完成有效载荷质量 50 kg、双向相对速度 450 m/s、加速距离 35 m、减速距离 40 m的双向交会平台建设；实现发射控制系统、自动装卸系统、数据采集系统等子系统的远程精细控制，技术成熟度 7级。该装备直接解决了行业痛点，形成高速交会模拟试验测试系统，创造技术开发收入 2000余万元。

5 智能纯吸式除尘减霾清洁机

魏延鹏团队基于二相流冲击理论创新提出了基于高速流固耦合的扬尘分离过滤系统并形成智能纯吸式除尘减霾清洁机产品，该产品在 4000立方米/h的超大通量条件下，能够实现细颗粒物及以下颗粒物过滤效率达到 99.5%以上，有效解决了大气颗粒物及扬尘的治理问题。现阶段，该产品已由北京中科健德科技有限公司进行转化，实现量产设备 4600余台，在北京、西安、太原等 30余座城市进行规模化应用，污染治理面积 5000余万平方米，实现经济收入超 3亿元。该技术获得辽宁省科学技术进步奖三等奖、第十届中国技术市场协会金桥奖二等奖等奖励。

6 结语

魏延鹏立足于强冲击环境防护领域，面向国家重大需求及市场前景，致力于基础研究及重大成果的产业化工作，在柔性智能抗冲击技术、基于梯度缺陷的高温气冷堆精细防护装置、材料动态力学性能全场测试系统等领域取得突破。下一步，他将携团队开拓市场，面向冲击防护的重大需求，打造国内力学抗冲击防护领域的独角兽企业，为爆炸与冲击防护材料产业发展作出积极贡献。