聚脲涂層復合結構防護性能研究現狀

黃陽洋，王志軍，趙鵬鐸，張 磊，張 鵬

(1.中北大學機電工程學院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

傳統的防護裝甲為鋼制裝甲，但是大量使用鋼制裝甲將導致船體質量增大，使搭載的武器彈藥減少或航速降低，從而削減了艦船的戰斗力和機動性[1]。因此，防護材料的輕量化對于艦船的發展至關重要。

陶瓷材料作為典型的輕量化防護材料在艦船領域得到越來越多的應用，通過與其他材料合理搭配組成的復合結構具有較好的抗彈性能。但是，陶瓷材料脆性大，其結構缺乏像金屬材料那樣在受力狀態下發生滑移引起塑性變形的能力，在爆炸沖擊中極易破碎產生碎片，其抗爆性能較差[2]。此外，陶瓷材料后加工能力低，不易回收。玻璃纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維輕質高強易于加工，對爆炸沖擊波具有良好的衰減作用[1]。但是，由于纖維結構表面呈現較大的惰性，不利于與樹脂及橡膠等基體粘結，與基材之間容易形成分層，限制了復合材料性能的發揮。

涂層技術的應用使得材料的性能得到全面提升，對于結構大和復雜的水面艦船更為適用。其中，噴涂聚脲技術綜合性能優異，具有固化速度快、施工便捷、涂層厚等優點，并且聚脲密度低、性能高，與金屬和非金屬材料基材間具有很強的附著力[3]。在保持防護性能的基礎上，也解決了傳統輕量化材料防護性能單一、不易加工等缺點，保證了艦船防護的高效化、輕量化。

1 抗彈性能研究現狀

針對聚脲涂層復合結構的抗彈性能，國內外有學者采用等面密度條件作為各工況對比依據；或者對比涂覆聚脲與否或涂層厚度大小來分析抗彈性能。

在等面密度條件下，Mohotti等[4-6]對不同厚度與位置的聚脲層對于鋁與聚脲組成的復合結構抗高速彈體沖擊影響做了試驗研究與局部仿真研究(如圖1)。Xue 等[7]通過對侵徹過程中復合結構各層的能量耗散進行數值模擬研究(如圖2)，許帥[8]根據等面密度原則，設計了三種結構(無涂層鋁板、三明治結構和層狀涂覆結構)(如圖3)。結果表明：聚脲層作為層狀涂覆結構時，彈丸速度降最大，尤其作為背板時，有助于吸收破片，效果最為顯著。同時，在等面密度條件下，涂層越厚(底材越薄)時，速度降隨之增加；而作為夾層時，并不有助于提升抗彈性能，隨夾層厚度增加速度降反而降低。

其他學者也進行了一系列試驗或仿真，Cai等[9]對高速彈體沖擊下POSS增強型聚脲涂層+鋼結構的抗彈性能與自封閉行為進行了試驗與仿真研究。發現結構在高速沖擊條件下具有較強的自動封閉能力，能夠有效地減小液體從沖擊孔的外流，但相比鋼其抗彈性能并沒有明顯變化。Fowler[10]和Al-Ostaz[11]等發現聚脲層能夠提高侵徹過程中的彈道阻力。通過對比聚脲涂層和聚丁二烯涂層結構的抗彈性能，Bogoslovov[12]等發現在硬質鋼表面涂覆一層10 mm厚的聚脲涂層，在受沖擊時聚脲涂層會發生玻璃化轉變，防彈性能得到提高，能量吸收密度高達4 GJ/m3，而同比聚丁二烯涂層未發生玻璃化轉變，具有相同厚度的聚脲高彈體涂層的吸能密度只有0.04 GJ/m3。

國內外學者的研究發現，聚脲涂層作為層狀結構(厚度為6～20 mm)，底材為金屬材料(厚度為5～12 mm)，速度在800～2 000 m/s時，抗彈性能得到提升，且作為背板時，性能最為顯著，同時能夠增強吸收破片的能力，減緩二次毀傷；在等面密度條件下，涂層厚度越厚(底材越薄)，吸能效果越好，其主要吸能特性表現為玻璃化轉變。但是作為夾層結構時，抗彈性能并沒有得到顯著提升。

2 抗爆性能研究現狀

國內外學者對于聚脲涂層結構的抗爆性能，或在等面密度條件下，進行不同工況的對比試驗和仿真研究；或直接進行是否涂覆聚脲涂層的比較試驗或仿真研究。

等面密度條件下，Ahsan Samiee等[13]運用LS-DYNA對鋼與聚脲復合結構在爆炸加載下涂層位置、厚度以及爆炸傳播方式的影響進行了數值仿真研究。結果表明：鋼+聚脲的復合結構抗爆炸變形能力最好，且聚脲層越厚越明顯；相比聚氨酯，水作為中間傳播介質時變形程度要更小。Kathryn Ackland等[14]通過試驗和數值仿真對鋼+聚脲涂層復合結構的抗爆炸沖擊性能進行了研究。發現單鋼板結構的變形量都要小于不同厚度聚脲層的復合結構，其耗能效果更好；聚脲涂層越厚，結構的變形量越大。對比試驗和仿真結果得出：層間的粘結強度對于變形量的一致性起著關鍵作用。如圖4所示。

Baylot等[15]對混凝土砌塊墻的研究表明：在其表面粘合或噴涂一層高聚物(高彈性體如聚脲等)后，可以增強其抗爆炸沖擊波的能力。Amini,MR等[16]對圓板在沖擊載荷作用下的動態響應進行了實驗研究，發現聚脲涂覆在鋼板上可提髙能量吸收能力。宋彬等[17]應用LS-DYNA軟件對無夾層、聚脲彈性體夾層和橡膠夾層三種防爆罐在1.2 kg TNT爆炸載荷作用下的動態響應過程和抗爆性能進行數值模擬。結果表明，在相同爆炸載荷作用下，無論變形或能量吸收方面，聚脲彈性體夾層防爆罐都優于無夾層防爆罐和橡膠夾層防爆罐。Grujicic等[18-19]提出了在高應變率加載條件下的聚脲具有良好的力學性能，使其涂覆鋼板結構在爆炸沖擊作用下明顯提高變形能力和吸能特性。Tekalur等[20]將聚脲(PU)與E-玻纖/乙烯酯(EVE)復合材料制成不同順序組合的層疊板材料或夾心板材料，結果表明相同厚度下聚脲層面向沖擊管時，層疊板的抗沖擊性能比單獨EVE板要好。此外，甘云丹等[21-23]通過數值模擬研究了彈性體涂覆鋼板的水下抗爆性能，總結出彈性體可使鋼板的抗爆能力提高20%[21]。如圖5所示，并實驗證明了聚脲材料有明顯的應變率效應，通過水下爆炸試驗證明了仿真結論正確[22]。后又通過模擬彈性體涂覆砌體墻的抗爆動態響應分析得出，彈性體涂覆能有效提髙抗爆能力[23]。

據以上研究情況表明，聚脲涂層可以增強底材的抗爆性能，加速沖擊波的衰減，有效降低復合結構的變形。金屬材料為作為底材時，背爆面涂覆的抗爆性能提升效果最佳；玻璃纖維為底材時，夾心層、迎爆面涂覆、背爆面涂覆的抗爆性能均有所提高。按抗爆性能的高低將其排列，則為：夾心層>迎爆面>背爆面。同時聚脲涂層與底材間的粘結強度同樣會影響復合結構的變形，從而影響其抗爆性能。

3 結論

根據國內外聚脲材料的發展現狀，可以歸納為以下幾點：

1) 聚脲涂覆的底材，以金屬材料鋼和鋁等均質材料為主；對于各向異性非均質噴涂于混凝土表面用于內爆防護已證明效果較好；

2) 聚脲的應變率效應明顯，不同應變率下存在形態轉變，這就致其本構關系和失效模型較為復雜，現有的數值仿真模型參數難以完全描述其在高速沖擊和爆炸載荷下的動力學行為，應具有適用范圍；

3) 聚脲的材料屬性均為彈性體，且彈體種類、撞擊速度與爆炸載荷大小的范圍廣，聚脲作為復合結構的背面層時，結構的抗彈抗爆性能最佳。但目前研究尚不構成體系。

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