為何這種與鋼鐵相比看似脆弱的材料卻有著防爆減震的功能，玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的氣凝膠材料屬于多孔材料， 其顯著特征在于內(nèi)部存在大量孔隙, 在沖擊波作用下材料先被壓縮致密。泡沫材料變形般經(jīng)歷三個階段: 彈性段、屈服段、壓實(shí)段。先孔壁發(fā)生彈性變形, 部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅? 同時氣隙被熱壓縮并吸收部分能量; 繼而孔壁發(fā)生塑性塌縮或脆性破碎, 將部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅? 氣隙熱壓縮過程基本結(jié)束， 隨后被逐漸壓實(shí)直至接近密實(shí)材料。旦多孔材料被完全致密, 沖擊波在其中的傳播行為與相應(yīng)密實(shí)材料基本相同。這時氣凝膠膠體粒子高速碰撞, 膠體粒子之間的碰撞力增大, 也導(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)破壞。 孔壁受到的橫向張應(yīng)力升高和膠體粒子之間高速碰撞共同作用, 導(dǎo)致氣凝膠在動態(tài)壓縮過程中出現(xiàn)“粉碎”的現(xiàn)象，表明沖擊波在多孔材料中的傳播衰減效應(yīng)很大程度上取決于致密過程各階段所吸收或耗散的能量。

而這種吸收和消耗爆炸沖擊波能量可由以下原因來解釋：由于氣凝膠中的孔洞為納米級別，所以氣凝膠的滲透率低。在爆炸高速沖擊過程中，氣凝膠中的氣體在瞬間難以逸出，氣體分子之間以及氣體分子與孔壁之間發(fā)生劇烈的碰撞。 空氣分子的分子平均自由程( 個空氣分子與其它空氣分子相繼碰撞兩次之間所走路程的平均值) 為70 nm，實(shí)驗使用的氣凝膠的平均孔徑為16.9 nm.由于氣凝膠孔壁與孔內(nèi)空氣分子之間的距離要遠(yuǎn)小于空氣分子平均自由程, 并且氣凝膠的比表面積大， 所以空氣分子與孔壁碰撞的概率要遠(yuǎn)高于與空氣分子相互碰撞的概率。在高速壓縮過程中，空氣分子與孔壁之間的碰撞要比空氣分子之間的高速碰撞更加劇烈。氣體與孔壁碰撞引起的流動阻力以及氣孔中空氣分子之間的碰撞阻力會導(dǎo)致氣孔內(nèi)壓力的增大，納米級孔洞中的空氣在瞬間難以逸出，導(dǎo)致氣孔內(nèi)壓力增大以及能量消耗。材料變形越快，氣體分子往外逸出越困難，孔洞內(nèi)壓越高，消耗的能量越多。由于氣孔內(nèi)部各個方向上的應(yīng)力近似相等，所以氣凝膠內(nèi)的氣體將軸向的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為各個方向上的應(yīng)力，即氣凝膠內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。氣凝膠內(nèi)應(yīng)力增大到定程度導(dǎo)致氣凝膠的爆炸并造成能量的損失。材料變形越快，氣孔內(nèi)的壓力越高, 消耗的能量就越多。

在氣凝膠爆炸過程中會產(chǎn)生纖維拔出和纖維斷裂的現(xiàn)象, 同時也消耗了大量的能量，纖維對氣凝膠的增韌作用導(dǎo)致氣凝膠的爆炸需要更大的內(nèi)應(yīng)力，從而延緩了氣凝膠的爆炸使氣凝膠在爆炸時需要消耗更多的能量，這就使爆炸沖擊波的能量被大量消耗從而起到了裝甲防護(hù)作用。

在二氧化硅氣凝膠中沖擊波的強(qiáng)度隨傳播距離的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢。沖擊波在二氧化硅氣凝膠中衰減比在泡沫鋁中衰減明顯。由于二氧化硅氣凝膠內(nèi)部特殊的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致沖擊波在二氧化硅氣凝膠中的衰減效果較好。沖擊波在二氧化硅氣凝膠中的傳播速度低，因此沖擊波在二氧化硅氣凝膠中傳播時卸載波的追趕卸載效應(yīng)非常明顯，這又進(jìn)步有利于了沖擊波的衰減。氣凝膠防爆性能及其應(yīng)用。

氣凝膠