爆炸的主要致伤因素是爆炸过程中产生的破片、冲击波和瞬时高温。针对爆炸过程中产生的破片对人员的致伤机制和防护研究已较成熟，主要致伤机制包括破片直接损伤、破片的压力波致伤、空腔效应和远达效应等^[1-2]。基于此开发了一系列的防护材料，如高性能陶瓷和高强纤维等，其主要的防护策略是通过材料阻止破片的侵彻实现对人体的保护^[3]。爆炸产生的瞬时高温是烧伤的致伤因素，虽然爆炸产生的瞬时高温可达数千摄氏度，但瞬时高温的持续时间仅为毫秒级，普通的耐高温织物就可实现瞬时高温的有效防护^[3]。冲击波也是爆炸过程中主要的致伤因素，冲击波击中人体时释放出的能量会造成各种损伤，即爆炸冲击伤，会导致肺、胃肠和鼓膜等含气器官的损伤，同时对颅脑造成较长期的影响^[4]。爆炸冲击伤是平、战时面临的重大公共卫生问题，在平时每年因爆炸事故造成的人员伤亡和财产损失十分严重。以天津港“8·12”爆炸为例，共造成1000余人伤亡，直接经济损失68.66亿元^[5]。由于作战样式的变化以及各种爆炸性武器的大量使用，爆炸冲击伤已成为现代战争中军事人员在执行作战任务时的主要伤类^[1]。在最近的俄乌冲突、巴以冲突中，因爆炸冲击波导致的伤亡人数占总伤亡的80%。爆炸冲击伤呈现高发、群发、难防的特点，并且危重伤多，感染发生率高，救治难度大，死亡率高^[6]。然而，与破片伤等机械性创伤不同的是，爆炸冲击伤表现为“外轻内重”，即无明显外伤而内部脏器损伤严重。这将导致伤员伤情发现不及时、诊治难度大，进而导致更高的死亡率^[6-7]。此外，与破片伤机制、防护材料、防护装具研究较完备相比，目前对于爆炸冲击伤的发生机制研究较少，并且对于防护材料的设计、爆炸冲击波衰减评测方法等的研究仍不完善。基于此，本文中主要对爆炸冲击伤的发生机制、防护材料的设计制备及评测等方面的研究进展展开综述，以期为相关领域的进一步研究提供技术和理论参考。

1.   爆炸冲击伤及其发生机制

对爆炸冲击波的产生、传播机制及爆炸冲击伤发生机制的研究是开展爆炸冲击伤防护研究的基础。因此，本节中综述了爆炸冲击波的产生、传播以及对人体不同器官的损伤机制。

1.1   爆炸冲击波的产生及传播机制

爆炸冲击波是爆炸时能量突然释放的物理现象，具有频率高（峰值区域的频率为2～8 kHz^[8]）、频段宽、波长短（波长范围为120～200 nm^[9]）的特点，其作用时间通常为2～10 ms^[10]，爆炸瞬时的压力急剧上升，远高于大气压力。正压上升（“超压”）压缩周围介质（空气、水等），导致爆炸冲击波的传播，然后以径向方式向外延伸，在空气中传播时会形成类似双层球形的区域，超压之后是压力下降和负波（“负压”），最后回到大气压状态^[11-12]，爆炸冲击波的压力随着传播距离的增大而降低。此外，封闭或半封闭环境（如建筑物、巷道或车辆）附近或内部的爆炸冲击波强度可以放大2～9倍。这是因为，在封闭或半封闭环境中，冲击波与周围结构相互作用并产生多次波反射，这些波反射与主波相互作用，在彼此之间产生复杂波，并且会导致冲击波增强以及压力增大^[13-16]。

1.2   爆炸冲击波的产生及传播机制

爆炸冲击伤的发生机制不同于一般的机械性创伤（如破片致伤），破片是以“点”击中人体，而在一定范围内，冲击波“超压”和“负压”是以“面”击中人体。这导致爆炸冲击波作用面积大，受损伤部位多。此外，与破片伤具有明显的外表损伤不同，爆炸冲击伤表现为无明显外伤而内部脏器损伤严重，即“外轻内重”的特点，这将导致伤员伤情发现不及时、诊治难度大、致死率高。

在临床研究中发现冲击波可以导致人体多种器官发生损伤，如肺^[17]、听器^[18]、眼^[19]、颅脑^[20]、心脏^[21]和胃肠道^[22]等，并且损伤程度与冲击波强度呈正相关。爆炸冲击伤的主要发生机制是爆炸冲击波的“超压”和“负压”直接作用于人体导致：(1)血流动力的变化，即超压作用于体表后压迫胸腹壁，使胸腹压急剧增加，导致下腔静脉血大量涌入心肺，造成心肺血容量急剧增加和血管损伤；(2)不同组织的压力差，即组织内液体与气体压力变化不同导致压力差，引起压力高的液体流向压力低的气体，造成小血管破裂出血^[23]；(3)破裂效应，即压力波从较致密部位向较稀松部位传导时在两者界面上引起反射，导致较致密部位的压力突然升高而损伤^[24]；(4)内爆效应，即“超压”过后含气组织被压缩，“负压”过后含气组织急剧膨胀；(5)惯性作用，即密度不同的组织受到相同的压力作用时，运动速度不同导致组织撕裂、出血^[25]。除冲击波“超压”和“负压”的直接致伤外，冲击波动压可使人体跌倒或被抛掷造成各种机械性损伤。与肝、肾等实质性器官相比，冲击波造成严重损伤的主要“靶器官”是肺。这是因为，肺是人体中含气较多的组织，当爆炸冲击波穿过胸腔时，爆炸冲击波主要在肺泡-空气界面耗散动能，导致肺泡的破裂、出血、气胸^[17]，肺冲击伤是爆炸冲击伤早期死亡的主要原因之一。冲击波对肺脏的主要损伤机制有：(1)内爆效应，即冲击波“超压”经过后肺泡被压缩，然后超压之后的“负压”经过肺导致其快速、过度扩张而造成损伤^[26]；(2)血流动力效应，即血液从腹腔大量涌入胸腔致使肺组织损伤；(3)过牵效应，即肺泡在经过“负压”时被过度拉伸，当拉伸超过一定程度时，肺泡的上皮细胞对小溶质的渗透压增强造成肺水肿^[17]。我们在采用小鼠进行爆炸冲击伤试验时也发现，冲击波击中小鼠后，小鼠肺部有明显的出血症状。冲击波的强度大于350 kPa时会导致大多数伤者肺部的损伤，而大于550 kPa时则会导致严重的肺损伤并且死亡率明显升高^[27-28]。

在分子生物学层面，爆炸冲击波对肺部的损伤主要是冲击波致伤肺部后造成肺部炎症反应^[29-30]、氧化应激^[31-32]和细胞凋亡^[33]，严重时将会导致脓毒症，最终导致伤员死亡。从分子层面研究爆炸冲击波的损伤机制为冲击伤治疗药物的研发打下了坚实的基础。

颅脑在冲击波作用下也极易受伤，与肺部爆炸冲击伤相比，颅脑冲击伤不易造成致死性伤害，但是会对人体造成长期的神经和精神伤害，如图1所示，我们在研究过程中发现，小鼠肺部发生严重损伤时脑部仅有少量出血。爆炸冲击波对颅脑的损伤机制大致有：(1)直接冲击，即冲击波直接冲击大脑，通过颅骨弯曲以及应力和剪切力的传播造成组织损伤^{[23, 34-35]}；(2)压力传递，即冲击波产生超音速流，导致脑组织出血、水肿、血管收缩和凋亡^[35]；(3)流体动力脉冲，即冲击胸部的冲击波可以在主要血管中引起流体动力脉冲，将动能传递到大脑，导致小静脉周围炎症和反应性星形胶质细胞病^[36]；(4)血脑屏障破坏，即冲击波会破坏血脑屏障，导致认知、记忆功能障碍和随后的炎症和氧化应激引起的情感障碍，甚至会给伤者带来如自杀、暴力犯罪等一些社会问题^[37-39]。与肺冲击伤相比，颅脑冲击伤的研究更具有挑战性，在相同强度的爆炸冲击波作用下，肺部表现出明显的损伤，而颅脑并未表现出明显的出血、挫裂伤等。康越等^[40]通过数值模拟研究了颅脑冲击伤的发生机制，为颅脑冲击伤的发生及防护研究提供了一种新的思路。但未来仍需要在精确测量颅脑组织不同部位的冲击波强度、不同颅脑损伤与冲击波强度的对应关系等方面开展大量研究。

图  1  正常小鼠和爆炸冲击波击中后小鼠的脑和肺部

Figure  1.  Brains and lungs of a normal rat and one hit by explosive shock waves

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除致伤机制和损伤表现外，引起人体损伤的力学指标也是人们十分关注的问题。如图2所示，在不同的冲击波压力作用下，人体头部及肺部损伤的50%生存率具有明显差异，可以看出，头部相比于肺部能够承受的冲击波超压更高、持续时间更长，有防护较无防护时肺部能够承受更高的冲击波超压、更长的持续时间。而针对头部防护下的冲击波耐受情况仍不清楚，有待进一步研究。

图  2  人体头部及肺部冲击波超压耐受曲线^[28]

Figure  2.  Shock wave overpressure tolerance curves of human head and lung^[28]

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爆炸冲击波对人体的损伤程度主要取决于5个因素：(1)超压峰值，690～1724 kPa的超压被认为是致命压力^[41]；(2)超压持续时间；(3)爆炸介质；(4)与爆心的距离；(5)由于受限区域或墙壁等引起的冲击波反射^[42-44]。

1.3   小结

与破片等机械性损伤不同，爆炸冲击波主要通过“超压”、“负压”直接作用于人体致伤，具有损伤部位多、伤情复杂、危重伤多和“外重内轻”等特点。对含气组织（肺、听器、胃肠）的损伤较严重，对颅脑也会造成长期性的损伤，并且爆炸冲击波对人体的损伤与冲击波超压及作用时间正相关。因此，接下来我们将围绕爆炸冲击伤的防护和评估等方面的科学问题，系统介绍研究现状和相关成果。

2.   爆炸冲击伤的防护

2.1   爆炸冲击伤防护策略

从上述爆炸冲击伤发生机制的研究可知，爆炸冲击波通过压缩周围介质形成“超压”，“超压”击中人体后在体内传播，造成多个器官发生损伤。在爆炸冲击波击中人体前，通过防护材料将其绕射、反射、结构共振、形变等方式耗散，是防护爆炸冲击波所致损伤的有效策略。

2.2   爆炸冲击伤防护材料

针对现有使用的防弹材料防护爆炸冲击波性能测试显示，软质防弹材料（如芳纶纤维）不能有效实现爆炸冲击波的衰减^[45]，硬质防弹材料（如陶瓷）虽然能够衰减部分爆炸冲击波，但硬质防弹材料硬度较高、密度较大，穿戴舒适性低，此外，现有研究认为硬质防弹材料与人体之间会形成空隙，这将导致冲击波“绕过”防弹材料造成人体损伤。笔者所在团队前期采用大鼠对目前常用的防弹材料进行了爆炸冲击波生物防护效应评估。从大鼠肺部解剖图像可以发现，防弹材料在爆炸冲击波作用下无法实现有效的防护，甚至会加重肺部损伤^[46]。因此，需要设计制备加强爆炸冲击波防护的材料。本节综述目前常用的爆炸冲击波防护材料，并探究其适用的防护场景及对爆炸冲击波的防护机理。

2.2.1   多孔材料

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，与密实材料相比，多孔材料可实现爆炸冲击波的衰减，这主要是通过孔隙结构的屈服压缩和孔壁的坍塌吸收、耗散爆炸冲击波能量。根据制备工艺和材料的不同，适用于爆炸冲击波防护的多孔材料主要有泡沫材料、多孔拉胀材料等。

泡沫材料主要有聚合物基泡沫和金属基泡沫。在聚合物基泡沫方面，Jia等^[47]研究了不同厚度和密度（200.0 kg/m³ （F-200）、400.0 kg/m³ （F-400））的聚氨酯泡沫对冲击波防护性能的差异，发现聚氨酯泡沫冲击波防护性能的强弱与其厚度、密度和微观特性相关。冲击波超压峰值和冲量随试样厚度的增大呈指数衰减。在相同厚度下，一定密度范围内，高密度的F-400的防护性能优于低密度的F-200。当材料孔隙结构不被破坏时，厚度大于10.0 mm的F-200和厚度大于4.0 mm的F-400均可以使超压峰值衰减90.0%以上。冲击波与聚氨酯泡沫相互作用后衰减为弱的压力扰动，实现了爆炸冲击波的防护。金属基泡沫也可实现爆炸冲击波的衰减。孙建华等^[48]研究了不同的多孔铁镍泡沫衰减瓦斯爆炸冲击波超压，发现铁镍泡沫衰减爆炸冲击波的效果良好，衰减率为12.9%～73.8%；孔径、相对密度及厚度是影响其衰减冲击波性能的重要因素，适当降低孔径、增大相对密度和厚度有利于提高铁镍泡沫材料对冲击波的衰减性能，而其中铁镍基体材料成分的比例对其衰减超压的效果影响不大。孔隙结构是影响泡沫爆炸冲击波衰减性能的重要参数。Hu等^[49]采用数值模拟方法研究了聚氨酯泡沫孔隙结构对冲击波衰减性能的影响，模拟结果表明，孔隙塌陷形成局部应力波，导致冲击波具有复杂的多波结构。冲击波峰值衰减的幅度随聚氨酯泡沫密度的提高而减小。在孔隙塌陷直至完全压实的过程中，局部应力逐渐增大，最终导致应力松弛。

与传统的泡沫材料相比，3D打印技术可以制备具有高度复杂几何形状孔隙结构的泡沫材料，并且可以实现对微观孔隙结构的调控，这些结构难以通过传统的制造方法（如铸造和挤压）生产^[50]。Branch等^[51]通过相差成像和有限元建模研究了3D打印开孔泡沫中的孔径与冲击波衰减的关系。发现孔径的分布和每个孔径的接近度产生了一个随机拓扑结构，该拓扑结构导致高应变点在更高速度的冲击波中产生了不规则性。将发泡制备的多孔材料与增材制造的具有相似密度的多孔材料冲击波衰减性能进行比较，通过调节增材制造过程中的微观孔隙结构，可实现对爆炸冲击波衰减性能的调控。Kader等^[52]通过3D打印方式制备了具有不同孔隙结构（球形、椭圆形）的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，实验结果表明，所设计的闭孔结构均匀分布使材料获得了均匀的应力分布和大变形的优点，从而具有高强度和高能量吸收效率。适当的孔隙结构设计可以提高多孔材料的能量吸收效率。

近年来，具有负泊松比的多孔材料由于其特殊的力学性能引起了广泛关注。与传统的多孔材料和结构类似，这类多孔材料在本体结构内仍具有相互连接的孔隙网络，网络是由各种几何构型的孔壁组成。在爆炸冲击波的作用下，孔壁通过不同的机制（如弯曲和拉伸^[53-55]以及刚性旋转^[56-57]）发生变形。孔壁的变形实现了爆炸冲击波能量的吸收。此外，由于结构中较高的孔隙率，其质量较低，具有较高的比吸能。这类多孔结构的能量吸收能力远高于传统的多孔材料^[58]。Fíla等^[59]采用分离式霍普金森压杆冲击试验表征了具有负泊松比的多孔材料的能量吸收性能。具有负泊松比的多孔材料在与其填充物协同作用时表现出优异的应力-应变性能，当应力卸载时应变恢复。在爆炸冲击波防护方面，拉胀材料的性能优于传统多孔材料^[60-61]。这是因为，由于材料的负泊松比效应，夹层通过将材料逐渐拉入局部加载区而有效地适应动态加载^[62-63]，因此，在爆炸过程中可实现对爆炸冲击波的有效防护。

多孔材料的孔隙结构（孔径、孔隙率）是影响爆炸冲击波衰减性能的主要因素，通过制备工艺的调控可实现对多孔材料的孔径和孔隙率的调控，进而达到调控爆炸冲击波衰减能力的目的。然而，多孔材料由于孔隙的存在相比于实心材料而言机械强度较差，未来在实现爆炸冲击波衰减的同时还需考虑如何增强多孔材料的机械强度。与此同时，爆炸冲击波衰减性能依赖于材料的厚度，当厚度减小时衰减冲击波的能力打折扣，然而人员防护材料的厚度有严格限制。此外，当孔隙结构屈服压缩无法回弹和大部分孔壁发生坍塌时，多孔材料难以再次吸收爆炸冲击波能量。这些都是未来在设计制备用于防护爆炸冲击波的多孔材料时需要充分考虑的。

2.2.2   水凝胶

水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构，由不同的分子通过化学交联和物理交联的方法聚合而成。不同的原料、条件所制备的水凝胶表现出不同的性能。适用于爆炸冲击波防护的水凝胶应具有高含水率、高形变量的特性，与其他防护材料相比，水凝胶因含有大量的水，还可实现爆炸过程中瞬时高温的防护。水凝胶在爆炸冲击波作用下，因链状大分子与内部的水相互作用需要时间，因此变形往往滞后于应力的变化，这种滞后在一定范围内十分明显。变形滞后的同时会消耗能量，达到衰减爆炸冲击波的效果。Magnus等^[64]研究发现，水凝胶的弹性变形可将冲击波峰值压力降低20%～25%。此外，防护材料与人体之间存在空隙会影响材料的冲击波衰减能力，水凝胶可通过改变自身形状来减小防护材料与人体之间的空隙，但是水凝胶在干燥的地方容易失水，这将会显著降低其防护性能。此外，水凝胶的机械性能随着其含水量的增加而降低。Sun等^[65]、Ni等^[66]、Liu等^[67]、Fan等^[68]和Matsuda等^[69-70]在高强度水凝胶领域开展了大量的研究，但并未对其爆炸冲击波防护性能进行评估，未来在高强度水凝胶的爆炸冲击波防护方面仍需进行探索。

2.2.3   聚脲

聚脲是一种新型的高分子弹性体，通常是由异氰酸酯与胺基化合物反应生成的一种聚合物^[71]。聚脲弹性体具有成本低、无毒、密度低、物理性能多变、机械韧性优异、耐磨和耐腐蚀等特点^[72]，在军事装备及建筑物的爆炸冲击防护中备受关注^[73-75]。聚脲通常由硬段和软段组成，其爆炸冲击波防护归因于硬/软链段的微相分离导致冲击波散射^[76-77]，对冲击波的防护主要归因于硬段的贡献。硬段通常由芳香族的二异氰酸酯和扩链剂组成，而软链段由聚醚或聚酯多元醇组成。软段的玻璃化转变温度低于室温，在室温下处于高弹态，模量低，柔性好，呈无规卷曲状，赋予了聚脲较好的柔韧性。硬段的玻璃化转变温度较高，在室温下处于玻璃态，模量高，塑性差，赋予了材料较高的强度和硬度^[77]，使其在抗冲击性能中发挥了关键作用^[78]。

Iqbal等^[79]研究了不同硬段含量对聚脲力学性能的影响，发现当硬段含量在61%时聚脲表现出最优的力学性能。Zhang等^[74]研究了低硬度（邵氏硬度65～75 HA）和高硬度（邵氏硬度85～95 HA）聚脲涂层涂覆在金属板上的防护性能，发现正面涂覆高硬度聚脲涂层的金属板表现出最佳的防护性能。涂层由于制备方便，可大面积制备，因此聚脲涂层也是目前常用的爆炸冲击波防护材料。Zhang等^[72]研究了不同力学性能的聚脲涂层对金属圆管的爆炸冲击波防护性能，在现场实爆试验后，他们利用金相显微镜和扫描电子显微镜测试了聚脲涂层铝管的宏观和微观损伤特性。结果表明，聚脲能显著提高铝合金圆管的爆炸冲击波防护性能，在高动态负载下具有更好的能量吸收效果。然而，聚脲涂层在爆炸过程中的脱附和变形将直接影响聚脲涂层的防护性能，如何在不降低聚脲爆炸冲击波防护性能的同时增强聚脲涂层的黏附力是目前仍需要解决的问题。聚脲不仅可以单独作为爆炸冲击波防护材料使用，还可与其他材料复合制成复合材料。Liang等^[80]在聚脲中加入超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纤维网，并研究了爆炸冲击波与破片耦合作用下的防护性能、失效机理及聚脲的自修复效应，研究结果表明，聚脲增强了复合材料的延展性并防止了破片的分散，而UHMWPE纤维网提高了复合材料的强度并阻止了裂纹发展。UHMWPE纤维网可以改善聚脲基体的载荷传递、整体性和抗断裂性能，甚至可以改变材料的破坏模式，由剪切破坏转变为拉伸破坏。

此外，聚脲在防护插板的涂覆位置也可能会影响冲击波的衰减性能。Zhang等^[81]研究了分别在钢板的外侧、内侧和内外两侧涂覆聚脲后复合板材的破片-爆炸冲击波耦合防护性能。结果表明，外层涂覆聚脲的损毁程度大于内层涂覆聚脲的损毁程度，两侧均涂覆聚脲后的爆炸冲击波-破片耦合防护性能最佳。聚脲涂覆在钢板外侧时，在破片-爆炸冲击波耦合作用下表现出明显的压缩剪切破坏特征，而聚脲涂覆在钢板内侧时，表现出明显的拉伸断裂特征。此外，红外光谱结果表明，聚脲的能量吸收与其羰基和氢键的断裂密切相关。聚脲虽然表现出优异的爆炸冲击波防护性能，但是其防护机制仍不清楚：现有研究表明聚脲的软硬链段微相分离、多重氢键、硬度等均影响爆炸冲击波的衰减能力。各个因素（如聚脲层厚度、涂覆位置、氢键多少等）共同决定了聚脲的爆炸冲击波衰减性能，但是其对爆炸冲击波的耗散、散射、反射和吸收的具体机理仍不清楚，未来仍需对聚脲的冲击波衰减机制进行深入研究，以此指导聚脲材料的设计制备。

2.2.4   纳米/微米增强材料

纳米/微米材料虽然不能作为单一材料用于防护爆炸冲击波，但是通过在基材中加入纳米/微米颗粒增强材料是常用的防护材料改性方法，本节综述了目前常用于提升基材衰减爆炸冲击波性能的纳米/微米增强材料。

石墨烯、富勒烯、碳纳米管等常作为增强相分散在其他聚合物基材中，从而增强基材的能量吸收性能。De Tessari等^[82]研究了高密度聚乙烯薄膜-芳纶织物板材中添加石墨烯纳米片后性能的改变。力学性能测试、子弹冲击和霍普金森压力测试的结果均表明，添加了质量分数为0.5%和1.0% GNP的HDPE薄膜-芳纶织物板材表现出最高的能量吸收和变形最小。石墨烯的加入能够提高基材的抗冲击性能可能的原因在于，石墨烯片优异的力学性能使得基材与石墨烯的复合材料的强度和韧性得以提升。我们通过在聚脲中添加一定比例的氧化石墨烯后，发现石墨烯-聚脲复合材料的爆炸冲击波衰减性能优于未添加石墨烯的聚脲，在聚脲中添加0.3%的氧化石墨烯后对冲击波衰减提升了15%。石墨烯作为增强材料使用时，材料制备方法简单、用量可控，材料的结构和性能也可控，是目前石墨烯材料在爆炸冲击波防护领域中最常见的使用方式。

碳纳米管（carbon nanotube, CNT）由柱状二维石墨烯片构成，具有高纵横比、高导热性和优异的机械性能。CNT具有200 GPa的拉伸强度、高于1 TPa的模量和相对较低的密度，使得CNT复合材料被广泛应用于破片防护、高强度和高能量吸收^[83-84]。Laurenzi等^[85]研究了多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes, MWCNT）增强环氧树脂复合材料的抗冲击性能，对添加了不同比例多壁碳纳米管的环氧树脂进行夏比冲击试验。结果表明，添加MWCNT的质量分数为0.5% 的环氧树脂韧性最好。此外，Ma等^[86]系统地研究了在环氧树脂中添加相同比例的富勒烯、石墨烯、碳纳米管后的爆炸冲击波衰减能力。结果表明，与纯环氧树脂相比，在环氧树脂中添加富勒烯颗粒后，复合材料的爆炸冲击波超压峰值降低了16.5%，添加石墨烯和碳纳米管的环氧树脂复合材料的冲击波超压峰值的衰减率相似，分别衰减了29.6%和31.7%。

空心玻璃微珠是一种粒径为10～180 μm的空心玻璃球体，属于无机非金属材料，具有密度低、耐热性好和抗冲击性能优异等特点。空心玻璃微珠常用于改性聚合物，在降低复合材料密度的同时能够提高抗冲击性能^[87]。Wang等^[88]研究了在环氧树脂和聚氨酯互穿网络（epoxy resin and polyurethane interpenetrating network, PU/EP IPN）填充空心玻璃微珠后材料的阻尼性能，即材料在振动时由于材料的晶粒相互摩擦等内部原因引起的机械振动能量损耗的现象。在受到外界冲击时，空心玻璃微珠的加入增强了PU/EP IPN与玻璃微珠间的摩擦损耗，从而实现对冲击能量的吸收，但该研究中比较欠缺的是未进行现场实爆环境下的爆炸冲击波防护性能试验，未能真正检测材料的冲击波耗散性能。Drdlová等^[89]研究了在泡沫材料中填充中空玻璃微珠后的爆炸能量吸收性能，发现在环氧树脂泡沫中添加玻璃微珠后可提升复合材料的冲击能量吸收性能，这是因为玻璃微珠的破碎过程可吸收冲击能量。冲击能量的吸收性能与添加玻璃微珠的量呈正相关，但添加玻璃微珠的量较大会降低材料的压缩强度和弯曲强度。因此，在基材中添加玻璃微珠的同时也需添加其他纳米增强材料（如碳纳米管等）以增强材料的压缩、弯曲强度。

除上述增强材料外，纳米二氧化硅、纳米氮化硼等常被用作增强材料添加在基材中^[90]。此外，在实际使用过程中，为了达到更好的防护性能，在聚合物基体中往往会添加多种增强材料。需要注意的是，在使用过程中，增强材料在基体中的分散要均匀，避免纳米颗粒的团聚。虽然有很多纳米/微米颗粒可以改善材料的爆炸冲击波衰减性能，但是纳米/微米颗粒衰减爆炸冲击波的具体机制仍不清晰，未来需要将现场试验与理论模拟相结合，以全方面地解释材料对爆炸冲击波的衰减机制。

2.3   小结

材料^{[47-48, 73, 91-94]}对爆炸冲击波的衰减机制主要是通过材料对冲击波的吸收、耗散、反射和折射，但是其中的衰减过程极其复杂，材料的具体性能指标与爆炸冲击波衰减之间的关系尚未完全厘清，并且对防护材料的爆炸冲击波衰减性能缺乏规范、科学、严谨的评估方法，这些都限制了爆炸冲击伤防护技术的发展。未来仍需开展大量的研究，为材料的设计制备提供基础。

3.   防护材料的爆炸冲击波衰减性能测试方法

如表1^[95-98]所示，目前报道了多种防护材料爆炸冲击波衰减性能的评测方法，但是想要精确测量冲击波衰减性能仍存在一定难度。目前常用于评估材料爆炸冲击波防护性能的方法是利用各类传感器记录防护前后爆炸冲击波压力强度的变化，其中实验室内冲击波的产生主要是采用激波管，而在实爆条件下采用弹药产生爆炸冲击波。与防弹材料的防护性能测试具有完整的测试标准（GA/T 1709－2020《实体防护产品防弹性能分类及测试法方法》）不同，对于防护材料的爆炸冲击波衰减性能测试目前还没有确定的执行标准。与此同时，利用传感器记录防护材料前后的爆炸冲击波压力受外界影响较大，导致无法准确记录冲击波压力。笔者团队在实验过程中发现，如果材料没有将传感器完全包覆其中，冲击波可能会绕过材料，对冲击波的记录造成影响；如果传感器包覆在材料中，材料轻微的变形会挤压传感器，导致记录的数值出现明显的过大或过小。Boutillier等^[99]为了能够更精确地测量防护材料后的爆炸冲击波超压峰值，将传感器埋置于硅胶中，然后将防护材料置于硅胶表面，以模拟真人佩戴防护材料的形态用于测试防护材料的爆炸冲击波衰减能力。虽然将传感器埋置于硅胶中可避免部分爆炸冲击波的影响，但是仍然难以完全避免爆炸冲击波绕行对材料后人体的影响。因此，我们长期致力于通过生物防护效应结合传感器测量爆炸冲击波衰减以评估防护材料的爆炸冲击波衰减性能，即将防护材料穿戴在实验动物（大鼠、山羊等）表面，在激波管内或外场实爆条件下进行测试，实验前将实验动物麻醉，实验完毕后对实验动物进行解剖，观察其伤情。通过实验动物的伤情评估结合传感器测量爆炸冲击波强度，能够更全面地反映材料的防护性能。这种方法可以直观地评估材料的防护效能，即佩戴防护材料的动物伤情越重，表明防护材料的防护效能越差；反之，伤情越轻，材料的防护效能越好。通过多种评估方法联合使用的方式能够更全面地评估材料对爆炸冲击波的衰减性能，但是需要耗费更多的人力、物力，未来仍需在爆炸冲击波评估方面继续研究，以期开发出高效、准确的爆炸冲击波衰减性能评测方法。

表  1  常见的爆炸冲击波衰减性能测试方法^[95-98]

Table  1.  Common testing methods for attenuation performance of explosion shock waves^[95-98]

测试方法	特点	优点	缺点
等效压力罐法[95]	依据实验现场安放的薄铁皮罐在爆炸后的毁伤状况， 对冲击波威力进行评估	成本低，操作简单， 可测冲击波超压	定量性不准确； 适用近场超压
生物评估法[96]	对生物实验体的受伤程度进行冲击波强度评估	直接有效	专业性强
高速摄影法[97]	利用高速摄像机拍摄到的爆炸过程以及波阵面的运动过程， 推算冲击波压力	记录完整、直观	不准确
存储测试法[98]	将引线、传感器、适配器和数据采集器集合为一个整体， 能够独立采集、存储信息	无需引线布置， 测试精确	设备昂贵，信息易丢
引线测试法[98]	将传感器安装在测试现场，通过电缆将信号传输到仪表， 最后使用计算机分析数据	完整记录冲击波的 传播情况，测量精确	易受环境和电磁干扰， 布设麻烦，成本高且易损坏

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4.   总结与展望

无论是在战时还是平时，爆炸冲击伤由于难防难治、群发等特点，严重威胁着人员安全。对爆炸冲击伤施以高效的防护胜过任何救治手段。本文系统综述了爆炸冲击波的传播、爆炸冲击伤的发生机制、爆炸冲击伤防护材料及评测方法的研究进展，尽管过去的研究取得了较大进展，但还有许多待探索和改进的地方。

(1)需要建立规范统一的爆炸冲击波防护性能测试标准，如准确测试防护材料后爆炸冲击波压力强度具体数值的方法、防护材料后压力传感器的布放规则等。

(2)需要建立动物伤情和防护指标与人员防护之间的尺度关系，建立不同冲击波、破片作用下的动物伤情模型，实现可通过测量动物伤情测试转换成人体爆炸冲击波伤情评估。

(3)加强爆炸冲击波防护材料及单兵装备的优化设计，需建立材料力学指标与爆炸冲击波衰减之间的关系，基于此对现有的单兵防护装备进行优化和升级，提升防护装备的性能。