聚脲基體復合材料抗爆耐沖擊性能研究進展

賈藝凡

（軍事科學院國防工程研究院 北京 100850）

1 引言

空氣中的爆炸可分為物理爆炸、化學爆炸等，其中TNT炸藥爆炸屬于化學爆炸，當TNT在空氣中爆炸時，炸藥在極短的時間內瞬間將全部的化學能轉化為爆炸能量，爆炸產生的產物轉為高溫、高壓狀態的爆轟產物，會迅速擠壓周圍的氣體，形成壓力巨大的沖擊波。沖擊波在空氣中的傳播是指數衰減的，沖擊波峰值壓力是隨著距離的增大而減小的，而且衰減速度極快，因此距離越遠，傷害越低；距離越近，傷害越高。炸藥起爆時周圍的沖擊波超壓可以達到幾十兆帕，因此爆炸源周圍的建筑物和物體都會因受到沖擊波的作用而產生一定程度的破壞，有的爆炸事件能夠摧毀整座建筑結構，有的則導致結構局部關鍵構件的失效或者引起砌體填充墻、門窗等非受力構件的破壞。與此同時，建筑結構在爆炸引起的碎片、地面振動以及火災等次生災害作用下，亦有可能發生顯著的局部破壞，以及因局部破壞引起的連續倒塌。嚴重時甚至會因為關鍵性的構件被毀壞而導致結構失去承載能力，不能保持平衡，加劇了災害程度。最重要的一點是沖擊波對人身安全所造成的傷害是致命的，爆炸過程中沖擊波會毀壞周圍的物體，所產生的碎片對人身的傷害足以致命。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是我們急需解決的一大課題。

2 常規抗爆措施的研究現狀

在建筑結構受力構件的抗爆措施研究方面，國內外學者分別通過數值模擬與實驗對比，研究了采用高強建筑材料如高強纖維混凝土、鋼筋高強纖維混凝土等提高建筑結構構件的抗爆性能的可行性；同時，研究了采用外表面粘鋼板、碳纖維材料、玻璃纖維材料等不同的加固方法對于提高鋼筋混凝土板、鋼筋混凝土柱以及砌體磚墻抗爆性能的有效性[1]；Schenker等[2]以及Hanssen等[3]分別對受到泡沫鋁材料保護以及沒有保護措施的鋼筋混凝土薄板承受爆炸沖擊的變形及破壞形態，進行了詳細的原型現場實驗，并驗證了泡沫鋁材料消波作用的有效性。國內學者還研究了普通防爆墻、水體防爆墻以及在結構上附加阻尼器等措施對降低結構響應、提高結構抗爆性能的作用[4]。

在建筑結構非結構構件的抗爆措施研究方面，國內外學者主要進行了兩方面的研究：一方面重點研究了爆炸荷載作用下防爆門可能的破壞過程，對各種不同工況下防爆門的技術性能進行評估[5]；另一方面，對爆炸荷載作用下門窗玻璃及玻璃幕墻的破壞進行了分析，提出了通過結構可靠性分析計算爆炸荷載作用下門窗玻璃破壞以及產生安全災害的可能性[6]，給出了玻璃幕墻抵抗爆炸沖擊波設計的途徑，建立了沖擊波荷載的計算原則[7]。

總體上看，目前國內外的相關研究工作涉及范圍很廣，研究內容很多，但仍存在一些問題。為了盡可能減少意外爆炸造成的人員傷亡和財產損失，在考慮提高結構抗爆性能的同時也要改變結構的易碎、低抗彎強度、低應變能吸收等缺點，有效包覆爆炸荷載下砌體產生的高速碎片，降低室內人員傷亡。

3 聚脲材料抗爆耐沖擊性能研究

近些年，聚脲作為減緩爆炸沖擊材料已被廣泛研究，是一種彈性嵌段共聚物，由異氰酸酯和氨的反應生成，具有優異的機械性能、高彈性模量、高拉伸強度（12～45 MPa）、高延展性和良好的抗沖擊性[8]。自21世紀以來，美國陸、海、空軍逐漸將聚脲用作船舶、飛機、裝甲車輛和防御工事的防護涂層。

3.1 純聚脲材料的抗爆性能研究

Raman等[9]進行了關于混凝土-聚脲復合材料作為混凝土結構抗爆加固材料的應用研究，聚脲涂層和未涂層混凝土板用3種不同的裝藥重量（0.1、0.5和5 kg）銨梯炸藥在不同的間隔距離進行爆炸測試，研究了混凝土板的裂紋擴展，離面位移和失效模式。此外，一些學者使用LSDYNA[9]有限元分析程序進行數值模擬實驗，結果表明，聚脲涂層對結構單元抗爆能力是有積極作用的。此外，學者們更多使用聚脲涂層作為減緩沖擊載荷的有效機制[10-12]，聚脲材料在防護結構中作為減輕爆炸沖擊的組成部分顯示出巨大的潛力。在結構表面噴涂高強度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸沖擊波作用下產生的高速碎片，有效縮短爆炸的危險距離，減少室內人員的傷亡。

Chen等[13]發現背面有一定厚度聚脲的鋼板涂層可以吸收能量并更好地防止散裂碎片。Gan等[14]模擬了涂有聚脲的鋼板在水下爆炸載荷下的力學性能，發現聚脲涂層可以將鋼板的抗爆性能提高20%。Ackland等[15]研究了在鋼-聚脲復合板上進行的爆炸實驗和數值方法研究，結果表明聚脲涂層對鋼板變形有一定的影響。與聚脲復合鋼板相比，純鋼板在離面位移方面表現更好。在相同的爆炸載荷下，聚脲涂層厚度增加時變形鋼板變形也會加劇。聚脲涂層未起作用的原因被認為是在爆炸發生時聚脲涂層與金屬層剝離，這應該是少有的實驗和數值研究表明了聚脲應用的負面結果。Ackland等[16]和Samiee等[17]發現，鋼板背面涂覆聚脲時具有更好的抗沖擊性和相對少的變形。當聚脲涂層在鋼板的迎爆面上時，聚脲會在爆炸產物的高溫下熔化[18]，由此聚脲的力學性能無法充分利用。此外，由于聚脲的波阻抗遠小于鋼板的波阻抗，涂在結構表面上的聚脲將對爆炸初始沖擊載荷產生放大效應[19]。因此，聚脲通常作為防護涂層涂覆在結構的背爆面上。

3.2 聚脲材料抗沖擊性能機理研究

Roland等[20]通過分析聚脲材料的介電譜圖以及彈體侵徹聚脲彈性體噴涂鋼板的實驗結果發現，聚脲彈性體抗沖擊的主要機理是從高彈態轉變至玻璃態的相變過程，研究指出能量吸收的程度與實驗溫度和玻璃化轉變溫度密切相關。Grujicic等[21]采用數值模擬的方法，基于上述能量吸收的機理驗證了高彈態向玻璃態轉變機制是由應變率引起的。結果表明，當應變率較低時，聚脲材料表現出高彈態；當應變率與聚脲材料分子鏈震動頻率相同時，將進入高彈態向玻璃態轉變的過程，并且在此期間聚脲材料會吸收大量的能量；當應變率繼續增加，聚脲材料完全轉變成玻璃態。聚脲材料的力學性能在爆炸荷載條件下與實驗溫度和玻璃化轉變溫度的溫差密切相關，當溫差較小時（實驗溫度仍高于玻璃化轉變溫度），在相變過程中聚脲材料表現為玻璃態；當溫差較大時，聚脲材料表現出普通彈性體的高延展性和韌性，即高彈態。可以看出，在爆炸荷載下聚脲材料的力學性能與本身的化學組成、微觀結構和實驗溫度密切相關。也有研究者指出聚脲材料能提高抗沖擊性能和能量吸收的潛在機理在于沖擊波阻抗不匹配、沖擊波彌散、破壞模式的轉變以及應變移位等。

3.3 聚脲與纖維復合材料的研究進展

一般來說，聚脲的力學性能取決于它的組成成分，是一種幾近不可壓縮和無限制的材料。聚脲的彈性響應近似看作是體積變形，而高于玻璃化溫度的剪切是其粘彈性和柔性的作用[22]。通常，聚脲涂層越厚越能有效增強結構的抗沖擊性[23]，但由于成本原因，通過增加聚脲涂層的厚度來增加結構的抗沖擊性是不切實際的。

聚脲的延展性高于加固結構，而彈性模量遠低于結構的彈性模量。研究人員考慮使用具有高彈性模量和高強度性能的纖維材料與聚脲，形成具有能量吸收能力的復合材料。Johnson等[24]發現芳綸纖維與聚脲復合噴涂在混凝土砌墻上，對比爆炸荷載、靜態面荷載作用下實驗，聚脲彈性體提高結構剛度和抗彎曲能力，芳綸纖維能有效幫助聚脲彈性體增強結構剛度的性能；動態加載下，高強度芳綸纖維提高墻體穩定性，降低背爆面因沖擊波而產生的飛射碎片。Carey等[25]發現，聚脲作為涂層材料與一定體積分數的短切玻璃纖維混合，不僅可以防止爆炸碎片的擴散，還可以提高結構的抗剪切能力。Nantasetphong等[26]將各種體積分數的研磨玻璃添加到聚脲基體中以形成聚脲-研磨玻璃復合材料。動態力學分析測試表明，隨著研磨玻璃體積分數的增加，復合材料的儲能和損耗模量顯著增加。

聚脲能提高混凝土的韌性，降低剛度，提高混凝土的抗彎強度。Ha等[27]在碳纖維布背面噴涂一層聚脲，形成聚脲-碳纖維增強塑料復合結構。在距硝酸銨燃料油炸藥一定距離進行爆炸測試，聚脲-碳纖維增強塑料復合鋼筋混凝土板的損傷面積小于普通鋼筋混凝土板和聚脲增強鋼筋混凝土板。與編織纖維布相比，編織纖維網具有低成本和輕質的優點[28]。此外，纖維網可以作為聚脲基體中的“軟鋼筋”，具有與復合鋼筋混凝土結構中的鋼筋相同的增強機制[29]，將編織玻璃纖維網等距埋入聚脲基體中，噴涂在鋼板上，結果表明降低復合鋼板整體變形的主要原因是編織玻璃纖維網對聚脲基體具有增強效果。

4 抗爆防護材料的研究展望

綜上所述，加入一定量纖維的聚脲基體可顯著提高其抗沖擊性。目前，碳纖維，玻璃纖維和玄武巖纖維是工程中常用的纖維材料。連續玄武巖纖維具有良好的耐低溫耐高溫性能（-269～700 ℃），化學穩定性（耐輻照、耐久性、耐酸性、耐燒蝕、耐水解、耐核輻射等），拉伸強度相當于T300碳纖維，價格是碳纖維的1/8或1/6，力學性能比普通玻璃纖維普遍高出15%～20%，低的導熱系數、高的吸音系數（0.90～0.99）和高出玻璃纖維一個數量級的體積電阻率。

綜合考慮經濟性和實用性，可以選擇玄武巖纖維作為增強纖維材料與聚脲基體復合研究，深入詳細地解釋該復合材料的抗爆極限、動態響應過程、施工標準、材料改性等問題，這對于發展我國自主研發抗爆防護材料及應用推廣噴涂聚脲材料具有更多價值。