典型爆炸冲击波的作用时间为2～10ms，自由场中的冲击波特征如图5-1所示。炸药或爆炸物等简易装置在发生爆炸后产生巨大的能量，材料受到冲击压缩形成应力波，并快速地向四周扩散和传播，造成周围材料的剧烈破坏，压力骤然升高，形成超压。非线性冲击波包含一个不连续的超压前端，压力、密度和温度在前端后部一般按指数衰减直至负压，随后逐步回复到基线，并将产生一个真空阶段（空化），然后快速地向四周扩散和传播，造成周围介质剧烈破坏。冲击波超压峰值与炸药的药量、周围环境状况等相关。结构或固体经历的负载可能包含许多这样的周期性超压和空化的循环。一旦纵向冲击波（粒子速度平行于波速）冲击到固体结构，必将创建某种剪切模式（垂直于波速的非零部分粒子速度）。在各向同性材料中，很容易分解这种复合模式；然而，在各向异性材料中，应力波创建许多定性不同的变形模式，使得预测固体的响应难度更大。同时，在这类材料中，可以引入新机制（耗散、共振等）用于有效防护应力波。

现代局部战争战伤分析显示，复合大量爆炸杀伤破片和冲击波超压杀伤已成为单兵面临的主要战场威胁，其特点是即使杀伤破片或直射弹不穿透防护装备，也能够对单兵造成严重以至于致命的损伤，体现了当前一些新型武器的杀伤方式由接触式转化为非接触式的特点。如近年来使用的云爆弹和温压弹，冲击波脉冲周期长，能进入坑道、密闭空间等破片无法到达的地方，负压时间长，杀伤力大。目前的单兵防护装备对冲击波超压造成的脑部和胸部损伤难以实现有效防护，装甲车钢板也难以对爆炸冲击波造成的车内乘员伤亡形成有效防护。现有的防护性能评价手段无法为装备的研发提供必要的技术支撑。

长期以来，单兵防护装备的研发主要着力于以最轻的防护材料、最大限度地阻挡子弹和破片的侵彻。使用超高分子量聚乙烯纤维、高强对位芳纶以及轻质防弹陶瓷等新型防弹材料，一方面实现了单兵防护装备的减重，另一方面也为装备抵挡侵彻能量更高的子弹或破片提供了保障，防护装备抗枪弹或破片侵彻的性能指标不断提高。然而，爆炸产生的冲击波超压通过防护装备的传播作用于人体，其能量的传播和耗散机制与相对局部的枪弹侵彻能量传播耗散机制存在显著差异。冲击波能进入破片无法到达的地方，由其他防护装置表面的反射而加强。美军早在20世纪80年代的研究表明，常规的单兵防护装备并不能有效避免或减轻爆炸冲击波对人体的伤害，反倒有可能使伤情更为严重。由于当时爆炸冲击波导致的伤亡比例不高，因此美军并未将这一问题列入装备研究重点。

进入21世纪以来，世界范围的热点地区不断发生战争行动，战伤分析显示由爆炸导致的单兵战斗伤亡约占总伤亡比例的70%，其中冲击波伤害约占爆炸导致的单兵战斗伤亡的60%，大量杀伤破片复合爆炸冲击波成为战场主要杀伤因素，使得越来越多的军人和平民遭受爆炸冲击波导致的创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）和肺部损伤。创伤性脑损伤有别于穿透性颅脑损伤和闭合性颅脑损伤，即便戴着头盔，由于头盔不能有效抵御和减缓冲击波而引起脑损伤，称为战争后遗症，伤员的症状可以从短暂的意识丧失到严重的昏迷。严重的爆炸冲击波创伤性脑损伤的典型特点是广泛的脑水肿和充血，并且发展迅速，往往在伤后一小时内发生。蛛网膜下腔出血表明损伤严重且预示着更严重的脑充血和水肿以及延迟性脑血管痉挛，这种血管痉挛通常会引起迟发性的神经损害，这种现象在爆炸冲击波创伤性脑损伤的伤员中较在其他类型的颅脑损伤伤员中更为常见。最近，美国兰德公司（Research and Development，RAND）评估，美军中有 32万服役人员或20%战士受爆炸冲击波创伤性脑损伤之苦，近5年美军确诊创伤后应激障碍病例4万人。

创伤性脑损伤在战场上可能很难被诊断（或治疗），并且由于一连串的机械和生化过程，40%伤员在发病（二次损伤）后数天或数周病情会发生恶化。加利福尼亚大学圣迭戈分校对于在军用和民用领域受轻度创伤性脑损伤伤员的最新研究表明，通过弥散张量成像（DTI）方法测量的各向异性的损伤与通过脑磁图描记术（MEG）方法检测到的异常缓慢的脑电波存在一定的相关性。在弥散张量成像中，各向异性的损伤是大脑白质一种清晰的结构变化，认为这种变化是由来自大脑灰质的白质纤维束的机械剪切引起分离造成的。目前，美国ARO/JIEDDO项目正在开发非常详细的大脑模型，确定细胞损伤机制，利用这些结果及其他并行项目确定爆炸波的有效伤害范围，并探索减轻它的技术途径。

随着爆炸伤的日渐频发，目前单兵防护装备的研究热点是如何避免冲击波超压造成的创伤性损伤问题。欧美主要国家在爆炸冲击波超压所致头部及肺部致伤机制、防爆炸冲击装备等方面设立了多项研究计划，并取得了一些研究成果。我们的防护装备研究也要适应战场的发展态势和他军使用的武器，这对研究冲击波不同波段的能量（以及温度）控制机制及致伤机制提出了挑战性。

爆炸冲击波的波长在微米到毫米尺度量级，传统的基于长波近似的复合材料本构模型和均匀化理论均不能体现出在冲击波作用下微纳尺度材料和结构的动态响应，因此需要发展高应变率下多尺度复合材料的本构模型，实现在构件层次上计算整体有效热力学参量，建立聚合物复合材料对冲击波能量的防护机制。这里需要解决两个关键问题，一是建立多尺度聚合物材料在大变形、高应变率下的动态本构模型，特别是确定宏观黏性、超弹性、模量等与微观结构动态响应的关系；二是通过实验测量应力波波形标定本构关系中的材料参数，如Hopkinson杆撞击实验、爆炸驱动或轻气炮驱动的平板撞击实验及激波管实验等，可以用毫微秒展开的应力波形来确定黏弹性材料的本构函数，这也正适用于如表5-1所示的爆炸冲击波波长范围。

冲击波在多结构相聚合物复合材料中传播的一个典型特征是频散，即群速度和相速度随输入频率发生变化。频散是变形局部化、散射及共振等的主要诱因，进而导致应力波的大幅衰减，尤其是当局部共振发生时可以实现对某个频段应力波的完全屏蔽。当变形尺寸及应力波波长和复合材料微观结构尺寸相当时，这些微结构相引起的局部波在微观尺度的反射和衍射对全局波的频散和耗散有重要影响。

冲击波和多尺度微结构相互作用规律复杂，表5-1提供了爆炸冲击波波长和结构尺度的关系。爆炸冲击波的波长在微米到毫米量级，耗散或吸收冲击波的微结构相或材料尺度一般比波长低一个量级，在几百纳米到几百微米量级。通过设计亚波长尺度的微结构可以实现在冲击波波前捕获和耗散冲击波能量。如爆炸冲击波，其波长在10μm～1mm范围，频率在2～200MHz，设计的软涂层、硬、空心、细长夹杂物、压电与磁致伸缩夹杂物的相应尺度在1～100μm范围，可以减缓、重新定向和吸收爆炸冲击波。其力学机制是对于振荡的应力波，小尺度材料感受是平的，而非凸凹不平，用若干线段材料能够捕捉一个波长段的应力波波动。如果材料尺度低于1μm，可在冲击波前端捕获和耗散在纳米尺度分子原子的机械能，减缓、重新定向和吸收冲击波。结论是：对于较宽频段的应力波波长，不可能用单一尺度材料完成各种防护功能，其材料一定是多尺度的。这里结构的多尺度是指具有毫米厚度的聚合物体、微米尺度的纤维和颗粒夹杂相、纳米尺度的高分子结构及基体/夹杂界面。这种多结构相聚合物材料能够在高压力强度、广谱冲击波频率和振幅下防护应力波。

近年来，美国海军研究局（ONR）的研究表明，聚脲和聚氨酯已经有效地应用于缓解爆炸引发的失效。聚脲是一种玻璃态转变温度（ T _g）为-60℃～-50℃的嵌段共聚物，可以很容易地进行生产并喷射到铸造金属或其他材料的表面，它的力学性能受到温度、压力和应变率的影响。已有研究表明，该类聚合物材料具有抗压强度高、抗拉强度低、高能量耗散，以及蝙蝠状屈服轨迹和拉伸缝隙屈服机制的基本特性（图5-2）。如果渗入其他材料，可以改变材料的拉伸空隙现象，如橡胶颗粒的夹杂，可以稳定现有的空隙，使其不至于形成真正的裂纹，大大增强材料的韧性和抗冲击性。同时，该类聚合物。通过化学改性和纳米结构改造可以应用于许多方面。通过优化设计，它们的力学和物理属性可以大大增强，特别适合在多频段范围内重新定向、捕获和耗散爆炸引发的有效应力波。

爆炸冲击波入射脉冲能量在材料界面的反射和透射规律复杂，冲击波以压缩波的形式侵入聚合物体，当遇到层间界面或夹杂后以压缩波和剪切波的复合形式传播，因此基体和夹杂物的机械阻抗特性是分布和耗散入射脉冲能量的决定性参数。通过机制研究，进一步明确嵌段共聚物的化学结构、长度和组成是如何影响聚合物复合材料结构，以及如何影响材料主要特性，如存储和损耗模量、宏观各向异性等，掌握爆炸冲击波在模量和密度各向异性材料界面传输的阻抗匹配规律。

研究材料化学性质和微观多相结构对冲击波响应机制。爆炸冲击波的波长在微米到毫米尺度量级，不同聚合物链、化学键、分子间相互作用，对冲击波响应效果不同。结合聚合物复合材料的多尺度理论和计算模型，通过设计分子结构和微观聚集态团簇结构，研制具备抗冲击波性能的纳米、微米、毫米尺度、软硬链多重结构、多种能量耗散机制的复合材料，使之具有调控冲击波路径、基体与夹杂界面性质的功能，实现对波的折射、反射和吸收的防护机制。

多结构相聚合物材料设计和化学改性需要从纳米到微米的多尺度研究方法着手，从软段和硬段组合的单体出发，如图5-3所示聚脲大分子结构，通过选择不同的分子结构和微相分离结构，采用不同的聚合条件，调节材料的机械强度，重点考察模量和黏弹性参数，从抗冲击波的测试中总结出分子结构和聚集态结构与材料抗冲击波性能之间的关系，例如分子链柔性、微相分离尺度和模量等，以此指导优化分子结构，调控聚集态结构，从而筛选出能量耗散能力最强的复合材料。

通过改变不同组分的相对含量和链长，可以在纳米尺度上调节弹性体微相分离结构的尺寸。在微观结构的模量匹配上，可以获得硬包软、软包硬或者硬包软包硬的结构。采用介电松弛谱的手段，可以表征高频下材料的黏弹性，或者通过室温等效原理，测定低温低频下的黏弹性，外推获得常温高频下的黏弹性。通过两种聚合物的共混，在微米尺度上调节相结构的尺寸，还可以通过弹性体发泡的方法，制备含有气孔的泡沫材料，或者在弹性体中填充微胶囊，微胶囊中包裹低模量高黏度液体。研究基体变形和界面脱粘、微胶囊破碎、基体屈服、分子间内摩擦、纳米粒子聚团的破坏和重建、剪切增稠和通过压电效应等方式耗散能量的效率。

爆炸冲击波致伤机制已有大量的研究和共识。冲击波超压作用于机体时，第一级入射波首先会在体表发生波的反射，在体侧和背部产生衍射波。对人体损伤最为明显的是以压缩波、拉伸波以及剪切波的形式进入人体并在人体中传播的应力波。当压力波穿过不同密度材料界面时，上述三种形式的波都可能出现，使人体组织和器官受到压缩、拉伸、撕裂等多种损伤。身体中含空腔和含气较多的组织和器官在冲击波的作用下最为脆弱。由于头颈部和肺部是对冲击波超压作用最为敏感的部位，目前，被广泛接受的冲击波超压耐受限值采用Bass提出的基于大量生物实验的人体肺部和头部冲击波超压的耐受限值（图5-4）。显然有了肺部防护装备的蓝矩形连线比无防护装备的黑菱形连线耐受更高的峰值压力值，在图5-4中至少提高两个数量级。该受限值也作为躯干部和头部防护装备的防护效果的评价标准。

上述有关冲击波损伤机制研究及人体耐受限值的研究显示，冲击波超压损伤问题已有大量的研究成果，但是仍有两个问题需要深入研究：一是部分基于低速冲击过程获得的人体安全极限值是否对相对高速的弹体冲击过程有效？二是在人体佩戴或穿着防护装备后，是否会改变超压的作用过程，是否有可能造成加重损伤的负面效果？

防护材料及防护结构是单兵防弹防爆炸冲击技术的主要研究内容，其中如何在防护结构中控制直射弹侵彻和爆炸冲击超压所产生的应力波的传递、使其携带的能量在厚度和质量有限的防护层中实现吸收和耗散，是尽可能减少传递到身体上的冲击能量的关键。研究表明，无论是装甲后钝伤（behind armour blunt trauma，BABT）还是冲击波超压，能量主要通过两种机制传递到人体：①原发性快波：即子弹或超压以弹性应力和变形波的方式作用于防护装备，以声速或高于声速的速度到达人体表面；②变形波：即子弹在侵彻防护装备的过程中导致防护层的弹性和塑性形变，使背弹面出现隆起变形，触及人体表面所致。其中，冲击波超压则多以原发性快波的形式传递到人体，两种机制具有不同的时间历程。据此，Ken-An Lou等提出针对非贯穿性损伤的四层防护结构，其中以中间两层即阻波层（Barrier）和压缩缓冲层（Compression）发挥主要的吸收耗能作用。依据这一基本结构，设计了多种不同材料性能匹配的组合，利用数值模拟分析的方法对峰值为345kPa、持续时间为5ms的超压进行模拟计算，证明了这一结构的有效性。Viano D.C等依据防弹衣结构特点建立了力学分析模型，认为在冲击波超压作用过程中，具有较高峰值和短脉冲的压力波首先作用于相对致密的防弹层，形成压缩波传递到泡沫层，通过泡沫层中不同密度界面的传递发生弥散，使压力波的峰值降低，作用时间延长，从而减轻了对人体胸部的伤害。

针对以上科学问题，需要建立纳米、微米和毫米多尺度计算模型，揭示宏、细、微观结构引发的局部变形和频散对冲击波能量耗散的机制；发展针对多尺度非均质材料的本构理论和均匀化方法，计算复合材料整体有效热力学参量，评估冲击波的衰减程度，指导材料筛选和化学改性。目标是指导设计和制备出特定微观结构应用于衰减和导引冲击波能量，并使复合材料具有频率选择特性。

建立含特定尺度微结构的聚合物复合材料的理论和计算模型。主要包括：①在必要的空间和时间尺度下，并行使用粗粒化和均匀化方法，模拟弹性体动态力学性能；②在波传播和动态加载条件下，发展有效的数值模拟计算工具（开发谱单元和流-固耦合方法）。

针对聚合物复合材料的多尺度特点，基于分层次的多尺度模拟，建立把四个基本空间尺度联系起来的计算框架：

分子动力学（MD）计算模拟（特征尺度<10 ^-9m）。对于聚合物，MD模型已经是粗粒化模型，即原子团通常用具有相互作用力的粗粒化颗粒表示。通过建立含软硬链的大分子链势能模型，采用分子动力学模拟分析聚合物材料的分子水平结构函数关系，给出聚合物团簇的存储模量和损耗模量。存储模量反映了聚合物的黏性性能，而损耗模量更能体现聚合物的频率耗散性能。

特征尺度为10 ^-8～10 ^-6m的准连续介质模型。通过纳米尺度分析得到的聚合物团簇，基于存储模量和损耗模量，建立粗粒化（CG）模型，从而建立聚合物单胞的物理/本构参数。

特征尺度为10 ^-5～10 ^-3m的连续介质模型。考虑能量密度作为变量输入输出，建立动量方程和虚功率项的弱形式，通过有限元离散，生成含微结构聚合物复合材料的有限元模型，特别是代表性体元模型，获得材料动态响应行为，指导材料筛选和化学改性。

用于所有更大特征尺度（>10 ^-3m）的连续介质模型。流固耦合新方法，模拟冲击波下材料和结构的动态响应，具有了工程应用意义。

目标是发展含特定尺度微结构的聚合物复合材料的理论和计算模型，预测材料抗冲击波能力。每一个空间尺度也与时间尺度有关，因此有相关的频率和波长。纳米尺度分子动力学计算是一个重要环节，通过在分子水平上分析聚合物材料的结构函数关系，进而指导和优化新一代抗爆炸冲击波的聚合物材料设计。

通过不同尺度的先进聚合物的建模与模拟方法计算出复合材料的各种结构、热力学和动态特性。针对这些模型的研究，解决以下关键问题：①嵌段共聚物的化学结构、长度和组成是如何影响聚合物复合材料结构形态的；②这种形态是如何影响材料的主要特性的，例如玻璃态转变温度、存储和损耗模量等。模拟计算研究将紧密结合聚合物的合成和表征工作。

以上这些具有自主知识产权的研究工作与欧美主要国家并行开展。欧美军方对其现役单兵防弹头盔[ACH（先进作战头盔）和PASGT（M88，美军服役的第一款凯夫拉头盔）]利用激波管在实验室条件下进行冲击波防护效果试验，同时采用数值模拟的方式进行分析。结果都表明，单兵在佩戴采用吊带式悬挂系统的头盔或无悬挂系统的头盔时，头盔内部枕骨部位及侧面的超压峰值及脉冲能量值都较未佩戴头盔时显著增加，其中以头顶部的增加最为显著，超压峰值提高了3倍[图5-5（a）]。衬垫结构的ACH头盔在冲击波超压作用的数值模拟研究显示，在头盔各衬垫组件的间隙处，超压峰值显著高于其他部位[图5-5（b）]。其原因在于冲击波在头盔内壳表面与头部的间隙间发生多次反射叠加，使超压峰值提高，从而导致头部更严重的损伤。除此之外，眼部和耳部在无防护装备的条件下，将面临遭受较为严重的冲击伤[图5-5（c）]。

上述分析表明，要实现对爆炸冲击波的防护，必须对现役单兵防护装备进行针对性的系统设计和研究。

研究聚合物复合材料防护爆炸冲击波的机制，从宏、细、微观尺度设计材料，制备材料样品件，其作用是吸收、引导和耗散应力波能量，转换冲击压力波成为剪切波和改变波的传播方向远离敏感部位。针对高压爆炸冲击波上升、斜坡下降、负压各波段的幅值、作用时间和生物致伤机制的复杂性，揭示多结构相聚合物复合材料防护爆炸冲击波的机制，具体包括提出亚波长微结构耗散冲击波能量模型，获得材料各向异性导引冲击波传播规律，建立生物致伤防护效能评估方法。

针对不同频率的应力波，研究多尺度微结构分布及微结构相和聚合物基的力学性能对整体模量的影响规律，设计以频率为函数的存储和耗散模量使复合材料具有频率选择特性，从而实现防护冲击波中最有害的部分。如图5-6所示，当爆炸冲击波从左侧输入装备，并通过聚合物复合材料和结构系统时，应力波被重新定向、吸收、折射和反射，能量被消耗、高频波被过滤，形成右侧衰减的输出波，屏蔽爆炸冲击波引发的压力和剪切应力波对被保护目标（图中央部分）的影响。

针对由微结构形状，聚合物基形态等引发的几何频散、黏弹性频散及其伴随的变形局部化和能量耗散机制进行系统研究。当变形尺寸及冲击波波长和复合材料微观结构尺寸相当时，微结构相引起的局部波在微观尺度的反射和衍射对全局波的频散和耗散产生重要影响。应力波在多级聚合物复合材料中传播的一个典型特征是频散。

研究分子特性及复合结构对材料吸波性能的控制机制，通过聚合物分子结构设计和多尺度微观结构调控，制备高效吸收和耗散冲击波的聚合物复合材料。探索材料分子结构和多尺度聚集态结构、黏弹性的调控方法和路线，制备黏弹性、微相尺度可调控的聚合物材料。重点考察材料的黏弹性、各种方式耗散冲击波能量的材料以及这些材料组合的结构设计，从抗冲击波的实验测试中总结出材料的化学结构、聚集态结构、宏观组合方式与材料抗冲击波性能之间的关系，以此为指导优化材料设计，从而筛选出高效耗散和导引冲击波的材料。

通过多组分反应和复合构建多尺度聚合物，利用多种分子间特殊相互作用，如氢键、离子键、配位键等实现抗冲击波的目的，揭示材料的黏弹性对冲击波耗散性能的影响。传统的抗冲击波材料通过氢键相互作用构建而成，功能较单一，聚合物结构不易进一步修饰，与纳米粒子构成复合材料时需经过较复杂的制备过程。通过多组分多相聚合物材料的纳米级和微米级结构设计，以及不同组分的黏弹性调控，综合运用结晶破碎、相转变，剪切增稠，压电耗散等多种能量耗散方式，制备具有良好冲击波耗散性能的聚合物材料样品件。

在研究中，结合冲击动力学、材料学和化学、军事医学的理论、计算和实验研究，掌握聚合物复合材料的多级微结构形态、界面属性、空间分布及化学性质等因素防护冲击波能量的机制，建立包含各级微结构尺度的材料本构模型，实现能够在宏观结构尺度上预测聚合物复合材料在爆炸冲击波作用下的响应规律，评估冲击波的衰减程度，指导材料筛选和化学改性，设计制备新型装备材料样品，建立生物战伤效果评估标准。突破从微纳米到宏观尺度聚合物材料设计，控制不同频率或波长的应力波传播特性，使材料具有吸波、导波等功能。所形成的研究成果应用于研制新一代单兵防护装备，能够在爆炸冲击波强度、广谱频率和振幅下防护和耗散应力波，减少战斗伤亡和战后损伤后遗症，提高战场生存能力。

1.AGRAWAL V，HOLZWORTH K，NANTASETPHONG W，et al.Prediction of viscoelastic properties with coarsegrained molecular dynamics and experimental validation for a benchmark polyurea system.J Polymer Sci，2016，54：797-810.

2.张少实，庄茁.复合材料与粘弹性力学.2版.北京：机械工业出版社，2011.

3.JAN ROJEK.Implementation of a molecular dynamics coarse-grained model for studying viscoelastic properties of polyurea.清华大学与欧洲四校联合培养计算力学硕士学位论文，2016.

4.GRUJICIC M，BELL WC，PANDURANGAN B，et al.Fluid/structure interaction computation alinvestigation of blast-wave mitigation efficacy of the advanced combat helmet.J Mater Engineer Perform，2011，20：877-893.