一種輕型防彈防爆復(fù)合材料方艙成型工藝研究

賀才進(jìn)

(衡陽(yáng)泰豪通信車(chē)輛有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001)

隨著世界戰(zhàn)略局勢(shì)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，軍用方艙作為軍事設(shè)備的配套及后勤保障設(shè)備，需要具有戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)的能力，以最大限度地保護(hù)艙內(nèi)工作人員和艙內(nèi)設(shè)備。防彈方艙作為一種能夠最大限度地保障人員及設(shè)備安全、獨(dú)立可移動(dòng)的廂體工作間，受到各國(guó)軍方的青睞。特別是戰(zhàn)爭(zhēng)的現(xiàn)代化，對(duì)部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性要求進(jìn)一步提高，軍用方艙還必須緊跟裝甲戰(zhàn)車(chē)的步伐。加快和推動(dòng)軍用方艙在輕量化、高效防護(hù)等方面的研究，以滿(mǎn)足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，已到了刻不容緩的時(shí)候。

1 防彈防爆方艙的現(xiàn)狀

目前方艙發(fā)展較快的是鋁蒙皮夾芯粘接大板方艙，但由于方艙本身的強(qiáng)度不夠，根本無(wú)法抵擋子彈的打擊和爆炸碎片的襲擊，很容易被擊穿和摧毀，不能有效保護(hù)方艙內(nèi)工作人員和設(shè)備。方艙被破壞，就會(huì)失去作戰(zhàn)功能。防彈防爆方艙按照防彈防爆板(層)與方艙的相對(duì)位置結(jié)構(gòu)關(guān)系，主要分為2種：整體式結(jié)構(gòu)和模塊式附加結(jié)構(gòu)[1-3]。

1.1 整體式結(jié)構(gòu)

整體式結(jié)構(gòu)是指方艙大板與防彈防爆層完全粘合在一起。其中，防護(hù)材料粘接在大板蒙皮內(nèi)側(cè)時(shí)稱(chēng)為內(nèi)粘整體式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)；粘接在大板蒙皮外側(cè)時(shí)稱(chēng)為外粘整體式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

1.2 模塊式附加結(jié)構(gòu)

模塊式附加結(jié)構(gòu)是通過(guò)螺栓聯(lián)接或其他聯(lián)接方式將防彈防爆板披掛在方艙的外表面或內(nèi)表面，這種結(jié)構(gòu)方式也稱(chēng)為披掛式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

無(wú)論采取整體式結(jié)構(gòu)還是模塊式附加結(jié)構(gòu)，都存在結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜，艙體總質(zhì)量大，零部件數(shù)量多，生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。這類(lèi)方艙因質(zhì)量大、體積大還影響整車(chē)的機(jī)動(dòng)性等。

2 輕型防彈防爆復(fù)合材料方艙車(chē)

輕型防彈防爆復(fù)合材料方艙車(chē)底盤(pán)采用XX輕型防護(hù)型底盤(pán)，整車(chē)分為前艙(駕駛室)與后艙(復(fù)合材料方艙，以下稱(chēng)艙體)，后部艙體(外形尺寸為2 700 mm×2 241 mm×1 360 mm)作為設(shè)備及備附件的安裝平臺(tái)。

由于底盤(pán)外形為異型結(jié)構(gòu)，艙體外形需造型設(shè)計(jì)：將艙體輪廓保持與駕駛室輪廓基本一致，以達(dá)到整體協(xié)調(diào)和美觀。艙體外形設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.1 艙體防彈和屏蔽性能要求

艙體按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求：損傷等級(jí)不大于4級(jí)，屏蔽效能不低于40 dB。

2.2 艙體輕量化要求

輕量化可提高方艙車(chē)的機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和運(yùn)行的遠(yuǎn)程化，可多裝載武器和先進(jìn)設(shè)備等[4]。通過(guò)優(yōu)化艙體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇輕質(zhì)高強(qiáng)材料以及合適的加工工藝，提升艙體的剛強(qiáng)度、耐候性、保溫性，減少艙體的總質(zhì)量。要求艙體質(zhì)量不大于578 kg(同類(lèi)產(chǎn)品艙體一般達(dá)850 kg以上)。

2.3 艙體的主要構(gòu)造

艙體采用功能層與結(jié)構(gòu)承載層一體化集成技術(shù)，艙體壁板同時(shí)具備結(jié)構(gòu)承載、保溫、防彈、電磁屏蔽等功能。艙體含數(shù)個(gè)艙門(mén)(及孔口)。根據(jù)防彈功能性能要求不同，壁板分為普通保溫壁板(底壁)和保溫防彈壁板(見(jiàn)圖5)。艙體取消了壁板中的(方管)骨架，保溫層采用高強(qiáng)度的PVC結(jié)構(gòu)泡沫，防彈防爆層選用輕質(zhì)PE防彈板。艙體要求有高的剛度，內(nèi)外蒙板采用輕質(zhì)碳纖維材料[5]，厚度為1.5 mm。

2.4 艙體工藝性

2.4.1 艙體工藝分析

艙體是集輕量化、保溫、防彈及電磁屏蔽等多功能于一體的復(fù)合材料艙體，外部形狀較復(fù)雜，特別是艙體取消了艙體壁板中的(方管)龍骨架，如：采用通常的方艙大板粘接工藝已不適合。結(jié)合艙體上述特征，確定艙體(不含門(mén))采用復(fù)合材料一體化成型工藝：真空導(dǎo)入工藝，及膠接、手糊、真空袋壓組合工藝成型。

因艙體有40 dB屏蔽的要求，艙門(mén)(及孔口)處要求電連接。艙門(mén)(及孔口)均含有鋁型材，仍按大板粘接工藝成型后再組裝。艙體內(nèi)蒙板是屏蔽層，內(nèi)蒙板由碳纖+金屬網(wǎng)組成。

2.4.2 真空導(dǎo)入工藝簡(jiǎn)介

真空導(dǎo)入工藝(Vacuum infusion process, VIP)，是在模具上鋪“干”增強(qiáng)材料(玻璃纖維、碳纖維、夾心材料等)，然后鋪真空袋等，并抽出體系中的空氣，在模具型腔中形成一個(gè)負(fù)壓，利用真空產(chǎn)生的壓力，把樹(shù)脂通過(guò)預(yù)鋪的管路注入纖維層中，讓樹(shù)脂浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，最后充滿(mǎn)整個(gè)產(chǎn)品。制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的制品。該工藝模型示意圖[6]如圖6所示。

VIP工藝因具有成形模具要求不高、蒙皮纖維含量高、產(chǎn)品的力學(xué)性能好、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，目前已在航空航天、國(guó)防工程、船舶工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)用[7]。

2.4.3 手糊、真空袋壓成型工藝簡(jiǎn)介

手糊工藝：在模具上涂刷含有固化劑的樹(shù)脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物(如碳纖、玻纖等)，用刷子、壓輥或刮刀擠壓織物，使其均勻浸膠并排除氣泡；再涂刷樹(shù)脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過(guò)程，直至達(dá)到所需制品厚度的方法[8]。

真空袋壓工藝：將手糊法成型制件，在樹(shù)脂凝膠前，鋪上脫模布，裝上橡膠袋或聚乙烯醇袋等密封袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空，靠大氣壓加壓成型的方法。

手糊成型工藝是復(fù)合材料成型最基本、最廣泛的一種工藝方法。真空袋壓成型比手糊成型的制品均勻，強(qiáng)度高，質(zhì)量穩(wěn)定。這2種工藝還常用于復(fù)合材料制品局部連接補(bǔ)強(qiáng)和修補(bǔ)等。

本艙體成型重點(diǎn)難點(diǎn)主要是：艙體真空導(dǎo)入模具設(shè)計(jì)、壁板中復(fù)合PE防彈板、艙體組合、艙體屏蔽處理等。

3 艙體工藝設(shè)計(jì)方案

艙體(未含門(mén))的外形及結(jié)構(gòu)如圖7所示。艙體采用碳纖維蒙皮夾心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有保溫板、輕質(zhì)防彈板。

3.1 艙體壁板連接及復(fù)合夾芯板鋪層設(shè)計(jì)

3.1.1 艙體壁板組合

因艙體主體為封閉型結(jié)構(gòu)，艙體需要分2套模具制作成型。考慮到艙體的承重及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將艙體沿底部分成上下兩部分結(jié)構(gòu)：上艙體和底框，連接部位設(shè)置有止口，使艙體組合時(shí)有較好的支承(見(jiàn)圖8)。上艙體和底框分別真空導(dǎo)入成型后，通過(guò)止口膠接，及連接處內(nèi)外表糊布、真空袋壓，使產(chǎn)品形成一個(gè)整體。

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)是第3代高性能纖維，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其相對(duì)密度為0.97[9-10]。PE防彈板是超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合而成，應(yīng)盡量不在防彈板上打孔，避免將板中纖維打斷，影響防彈板的性能。防彈板在上艙體進(jìn)行二次真空導(dǎo)入工藝時(shí)，復(fù)合到艙體壁板中。

3.1.2 艙體壁板鋪層工藝設(shè)計(jì)

上艙體鋪層為：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+15 mm結(jié)構(gòu)泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+15 mm防彈板+11 mm結(jié)構(gòu)泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網(wǎng)+1層0°/90° 400 g/m2碳纖。

底框鋪層為：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+42 mm結(jié)構(gòu)泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網(wǎng)+1層0°/90° 400 g/m2碳纖。

艙體門(mén)框處較薄弱，內(nèi)部設(shè)置C型碳纖維加強(qiáng)筋，增加鋪設(shè)4層0°/90° 400 g/m2碳纖維布。

左右裙邊主要起裝飾作用，基本不受力。按總厚度2 mm鋪設(shè)4層碳纖，采用真空導(dǎo)入工藝制作。

3.2 艙體成型模具

上艙體在左右壁腰部有一段折彎造型，產(chǎn)品成型時(shí)不能一體脫模，該處采用分模結(jié)構(gòu)，即將模具做成可拆裝的上下兩部分。艙門(mén)(及孔口)的孔洞結(jié)構(gòu)采用活動(dòng)塊成型，使艙體具有良好的一體性能。上艙體及底框模具設(shè)計(jì)分別如圖9和圖10所示。

左右裙邊組合如圖11所示，為了簡(jiǎn)化模具，裙邊分3段設(shè)計(jì)模具，3段分別成型后，通過(guò)二次膠接、手糊、真空袋壓等工藝與艙體下部連接成一整體。

3.3 艙體真空導(dǎo)入詳細(xì)成型工藝

為了使防彈板能與艙體形成一體結(jié)構(gòu)，及保證艙體內(nèi)表面有良好的平面度，上艙體成型采用真空導(dǎo)入+真空袋壓(防彈板)+第2次真空導(dǎo)入3次壓力成型方式。即在鋪層時(shí)，先將首層結(jié)構(gòu)(1.5 mm碳纖+15 mm結(jié)構(gòu)泡沫+0.5 mm碳纖)真空導(dǎo)入成型后，調(diào)整打磨好產(chǎn)品表面，使內(nèi)表面平整一致，圓弧處平滑過(guò)渡，再做好防彈板的裁剪和鋪設(shè)。在鋪泡沫和碳纖維層時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)品對(duì)接均勻，錯(cuò)開(kāi)同一對(duì)接位置。同時(shí)，在鋪設(shè)防彈板后，增加一次真空袋壓工序，即在未進(jìn)膠之前，檢測(cè)產(chǎn)品袋壓后的表面平面度，并及時(shí)調(diào)整后，再鋪設(shè)內(nèi)層泡沫。

以上艙體真空導(dǎo)入工藝為例，說(shuō)明艙體成型的主要工藝步驟如下：1)材料、工具準(zhǔn)備(如碳纖維布、埋鐵、防護(hù)用品等)；2)模具準(zhǔn)備；3)固定門(mén)框活動(dòng)塊和法蘭邊；4)刷涂脫膜劑；5)外蒙皮鋪設(shè)：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖；6)安放泡沫板下層埋鐵；7)t15厚泡沫板鋪設(shè)；8)安放泡沫板上層埋鐵；9)校檢埋鐵；10)中間蒙皮鋪設(shè)：1層0°/90° 400 g/m2碳纖；11)脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、導(dǎo)流管、三通鋪設(shè)，粘貼密封膠帶等；12)真空袋鋪覆；13)試抽真空；14)導(dǎo)入樹(shù)脂；15)保壓、固化：常溫(23 ℃)保壓、固化4 h，再加熱80 ℃固化4 h；16)去掉脫模布等輔材，露出碳纖維制品，表面處理干凈；17)裁剪和鋪放好PE防彈板；18)真空袋壓防彈板，使防彈板平整后，鋪設(shè)內(nèi)層t11厚泡沫；19)鋪設(shè)內(nèi)蒙皮：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網(wǎng)+1層0°/90° 400 g/m2碳纖；20)依照第1次真空導(dǎo)入步驟，鋪脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、導(dǎo)流管，鋪真空袋，抽真空保壓，導(dǎo)入樹(shù)脂等；21)保壓、固化：常溫(23 ℃)保壓、固化4 h，再加熱80 ℃固化4 h；22)脫模；23)檢驗(yàn)產(chǎn)品，產(chǎn)品合格后轉(zhuǎn)下一道工序。

底框(下艙體)和裙邊都是通過(guò)一次真空導(dǎo)入工藝成型，參照上述成型過(guò)程完成，不再另作描述。

組艙：在上艙體與底框止口處涂膠粘接，按圖8所示螺栓聯(lián)接后，在艙體連接處內(nèi)外表糊布、真空袋壓，使上下艙體形成一個(gè)整體。

4 工藝驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述工藝設(shè)計(jì)方案的可行性，按輕型防彈防爆復(fù)合材料方艙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)與其結(jié)構(gòu)相似的試驗(yàn)艙體，艙體尺寸為1 066 mm(長(zhǎng))×1 477 mm(寬)×1 066 mm(高)。按上述工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鋪層、真空導(dǎo)入和艙體組合等工藝完成了試驗(yàn)艙體的制作。試驗(yàn)艙體如圖12所示。

對(duì)試驗(yàn)艙體進(jìn)行了艙體稱(chēng)重、外觀、保溫性、電磁屏蔽等試驗(yàn)檢測(cè)，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表1)，證明工藝設(shè)計(jì)方案可行。

表1 XX試驗(yàn)艙體檢測(cè)表

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)軍用防彈防爆方艙和復(fù)合材料方艙的研究起步都較晚，缺少研制需要的相關(guān)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。輕型防彈防爆復(fù)合材料方艙是集輕量化、防彈防爆、先進(jìn)復(fù)合材料于一體的新型方艙，具有結(jié)構(gòu)-功能一體化特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)全新的課題。隨著一些新型高性能纖維復(fù)合材料的國(guó)產(chǎn)化，及各行業(yè)需求量的增加，先進(jìn)復(fù)合材料成本將大幅度降低。結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度高、成本低、質(zhì)量輕、體積小的高性能復(fù)合防爆防彈方艙將實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，這也是軍用方艙未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。