聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)性能研究現(xiàn)狀

黃陽(yáng)洋，王志軍，趙鵬鐸，張 磊，張 鵬

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

傳統(tǒng)的防護(hù)裝甲為鋼制裝甲，但是大量使用鋼制裝甲將導(dǎo)致船體質(zhì)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(zhàn)斗力和機(jī)動(dòng)性[1]。因此，防護(hù)材料的輕量化對(duì)于艦船的發(fā)展至關(guān)重要。

陶瓷材料作為典型的輕量化防護(hù)材料在艦船領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，通過(guò)與其他材料合理搭配組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較好的抗彈性能。但是，陶瓷材料脆性大，其結(jié)構(gòu)缺乏像金屬材料那樣在受力狀態(tài)下發(fā)生滑移引起塑性變形的能力，在爆炸沖擊中極易破碎產(chǎn)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(zhì)高強(qiáng)易于加工，對(duì)爆炸沖擊波具有良好的衰減作用[1]。但是，由于纖維結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)較大的惰性，不利于與樹脂及橡膠等基體粘結(jié)，與基材之間容易形成分層，限制了復(fù)合材料性能的發(fā)揮。

涂層技術(shù)的應(yīng)用使得材料的性能得到全面提升，對(duì)于結(jié)構(gòu)大和復(fù)雜的水面艦船更為適用。其中，噴涂聚脲技術(shù)綜合性能優(yōu)異，具有固化速度快、施工便捷、涂層厚等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)的附著力[3]。在保持防護(hù)性能的基礎(chǔ)上，也解決了傳統(tǒng)輕量化材料防護(hù)性能單一、不易加工等缺點(diǎn)，保證了艦船防護(hù)的高效化、輕量化。

1 抗彈性能研究現(xiàn)狀

針對(duì)聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗彈性能，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者采用等面密度條件作為各工況對(duì)比依據(jù)；或者對(duì)比涂覆聚脲與否或涂層厚度大小來(lái)分析抗彈性能。

在等面密度條件下，Mohotti等[4-6]對(duì)不同厚度與位置的聚脲層對(duì)于鋁與聚脲組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)抗高速?gòu)楏w沖擊影響做了試驗(yàn)研究與局部仿真研究(如圖1)。Xue 等[7]通過(guò)對(duì)侵徹過(guò)程中復(fù)合結(jié)構(gòu)各層的能量耗散進(jìn)行數(shù)值模擬研究(如圖2)，許帥[8]根據(jù)等面密度原則，設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)(無(wú)涂層鋁板、三明治結(jié)構(gòu)和層狀涂覆結(jié)構(gòu))(如圖3)。結(jié)果表明：聚脲層作為層狀涂覆結(jié)構(gòu)時(shí)，彈丸速度降最大，尤其作為背板時(shí)，有助于吸收破片，效果最為顯著。同時(shí)，在等面密度條件下，涂層越厚(底材越薄)時(shí)，速度降隨之增加；而作為夾層時(shí)，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(xué)者也進(jìn)行了一系列試驗(yàn)或仿真，Cai等[9]對(duì)高速?gòu)楏w沖擊下POSS增強(qiáng)型聚脲涂層+鋼結(jié)構(gòu)的抗彈性能與自封閉行為進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真研究。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊條件下具有較強(qiáng)的自動(dòng)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(fā)現(xiàn)聚脲層能夠提高侵徹過(guò)程中的彈道阻力。通過(guò)對(duì)比聚脲涂層和聚丁二烯涂層結(jié)構(gòu)的抗彈性能，Bogoslovov[12]等發(fā)現(xiàn)在硬質(zhì)鋼表面涂覆一層10 mm厚的聚脲涂層，在受沖擊時(shí)聚脲涂層會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，防彈性能得到提高，能量吸收密度高達(dá)4 GJ/m3，而同比聚丁二烯涂層未發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層作為層狀結(jié)構(gòu)(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(shí)，抗彈性能得到提升，且作為背板時(shí)，性能最為顯著，同時(shí)能夠增強(qiáng)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(xiàn)為玻璃化轉(zhuǎn)變。但是作為夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，抗彈性能并沒有得到顯著提升。

2 抗爆性能研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于聚脲涂層結(jié)構(gòu)的抗爆性能，或在等面密度條件下，進(jìn)行不同工況的對(duì)比試驗(yàn)和仿真研究；或直接進(jìn)行是否涂覆聚脲涂層的比較試驗(yàn)或仿真研究。

等面密度條件下，Ahsan Samiee等[13]運(yùn)用LS-DYNA對(duì)鋼與聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)在爆炸加載下涂層位置、厚度以及爆炸傳播方式的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。結(jié)果表明：鋼+聚脲的復(fù)合結(jié)構(gòu)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(zhì)時(shí)變形程度要更小。Kathryn Ackland等[14]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真對(duì)鋼+聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)單鋼板結(jié)構(gòu)的變形量都要小于不同厚度聚脲層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其耗能效果更好；聚脲涂層越厚，結(jié)構(gòu)的變形量越大。對(duì)比試驗(yàn)和仿真結(jié)果得出：層間的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)于變形量的一致性起著關(guān)鍵作用。如圖4所示。

Baylot等[15]對(duì)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(qiáng)其抗爆炸沖擊波的能力。Amini,MR等[16]對(duì)圓板在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)聚脲涂覆在鋼板上可提髙能量吸收能力。宋彬等[17]應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)無(wú)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(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和抗爆性能進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在相同爆炸載荷作用下，無(wú)論變形或能量吸收方面，聚脲彈性體夾層防爆罐都優(yōu)于無(wú)夾層防爆罐和橡膠夾層防爆罐。Grujicic等[18-19]提出了在高應(yīng)變率加載條件下的聚脲具有良好的力學(xué)性能，使其涂覆鋼板結(jié)構(gòu)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(fù)合材料制成不同順序組合的層疊板材料或夾心板材料，結(jié)果表明相同厚度下聚脲層面向沖擊管時(shí)，層疊板的抗沖擊性能比單獨(dú)EVE板要好。此外，甘云丹等[21-23]通過(guò)數(shù)值模擬研究了彈性體涂覆鋼板的水下抗爆性能，總結(jié)出彈性體可使鋼板的抗爆能力提高20%[21]。如圖5所示，并實(shí)驗(yàn)證明了聚脲材料有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)證明了仿真結(jié)論正確[22]。后又通過(guò)模擬彈性體涂覆砌體墻的抗爆動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析得出，彈性體涂覆能有效提髙抗爆能力[23]。

據(jù)以上研究情況表明，聚脲涂層可以增強(qiáng)底材的抗爆性能，加速?zèng)_擊波的衰減，有效降低復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形。金屬材料為作為底材時(shí)，背爆面涂覆的抗爆性能提升效果最佳；玻璃纖維為底材時(shí)，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(shí)聚脲涂層與底材間的粘結(jié)強(qiáng)度同樣會(huì)影響復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形，從而影響其抗爆性能。

3 結(jié)論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外聚脲材料的發(fā)展現(xiàn)狀，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

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

2) 聚脲的應(yīng)變率效應(yīng)明顯，不同應(yīng)變率下存在形態(tài)轉(zhuǎn)變，這就致其本構(gòu)關(guān)系和失效模型較為復(fù)雜，現(xiàn)有的數(shù)值仿真模型參數(shù)難以完全描述其在高速?zèng)_擊和爆炸載荷下的動(dòng)力學(xué)行為，應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)的背面層時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗彈抗爆性能最佳。但目前研究尚不構(gòu)成體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬運(yùn)義,馮余其,楊雄輝,黃國(guó)兵.我國(guó)艦船裝備對(duì)材料的需求與應(yīng)用探討[J].新材料產(chǎn)業(yè),2013(11):11-16.

[2] 王兵,龍?jiān)?馬海洋,周翔,陳磊.非金屬材料抗爆性能試驗(yàn)研究[J].爆破器材,2010(1):37-40.

[3] 翟文,陳強(qiáng),甄建軍,胡文閣,陳青香,唐志勇.噴涂聚脲彈性體技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2012,10:28-32.

[4] MOHOTTI D,NGO T,MENDIS P,et al.Polyurea coated composite aluminium plates subjected to high velocity projectile impact[J].Materials and Design,2013,52:1-16.

[5] DAMITH MOHOTTI,TUAN NGO,SUDHARSHAN N.Raman,Priyan Mendis.Analytical and numerical investigation of polyurea layered aluminium plates subjected to high velocity projectile impact.Materials and Design 2015(82):1-17.

[6] DAMITH MOHOTTI,TUAN NGO,SUDHARSHAN N.Raman,Muneeb Ali,Priyan Mendis.Plastic deformation of polyurea coated composite aluminium plates subjected to low velocity impact.Materials and Design 2014(56):696-713.

[7] XUE L,MOCK W,BELYTSCHKO T.Penetration of Dh-36 steel plates with and without polyurea coating[J].Mechanics of Materials,2010,42(11):981-1003.

[8] 許帥.聚脲彈性體復(fù)合結(jié)構(gòu)抗沖擊防護(hù)性能研究[D].北京 北京理工大學(xué),2015.

[9] LIGUANG CAI,AHMED AL-OSTAZ,XIAOBING LI,et al.Protection of steel railcar tank containing liquid chlorine from high speed impact by using polyhedral oligomeric silsesquioxane-enhanced polyurea[J].International Journal of Impact Engineering,2015,75:1-10.

[10] FOWLER M C.Experimental and numerical analysis of nano-enhanced polymer coated steel plates subjected to ballistic loading[D].Mississippi:The University of Mississippi,2012.

[11] AL-OSTAZ A,CHENG A,SONG C,et al.Nano-enhance and bio-inspired composite materials for mitigation and protection of tih railcars and stationary tanks against high power impact[R].Nano Infrastructure Research Group,University of Mississippi SERRI Report 40-92370,2012.

[12] BOGOSLOVOV R B,ROLAND C M,GAMACHE R M.Impact Induced Glass Transition in Elastomeric Coatings[J].Appl Phys,2007(90)：2219-2223.

[13] AHSAN SAMIEE,ALIREZA V.AMIRKHIZI,SIA NEMAT-NASSER.Numerical study of the effect of polyurea on the performance of steel plates under blast loads[J].Mechanics of Materials,2013(64):1-10.

[14] KATHRYN ACKLAND,CHRISTOPHER ANDERSON,TUAN DUC NGO.Deformation of polyurea-coated steel plates under localised blast loading[J].International Journal of Impact Engineering,2013,51:13-22.

[15] BAYLOT J T,WOODSON S C,O’DANIEL J L,et al.Analysis and retrofit of CMU walls[C] //Chang P C.Proceedings of Structures 2001-A Structural Engineering Odyssey.Washington DC,USA,2001.

[16] AMINI M R,ISAACS J S,NEMAT-NASSER S.Effect of polyurea on the dynamic response of steel plates[C]//Proceedings of the 2006 SEM Annvial Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics,St.Louis,MO.2006.

[17] 宋彬.聚脲彈性體夾芯防爆罐抗爆性能研究[D].南京:南京理工大學(xué),2016.

[18] GRUJICIC M,PANDURANGAN B,HE T,et al.Computational investigation of impact energy absorption capability of polyurea coatings via deformation-induced glass transition[J].Materials Science and Engineering:A,2010,527(29):7741-7751.

[19] GRUJICIC M,BELL W C,PANDURANGAN B,et al.Blast-wave impact-mitigation capability of polyurea when used as helmet suspension-pad material[J].Materials & Design,2010,31(9):4050-4065.

[20] TEKALUR S A,SHUKLA A,et al.Blast resistance of polyuria based layered composite materials[J].Compos Struct,2008,84(3):271.

[21] 甘云丹,宋力,楊黎明.彈性體涂覆鋼板抗沖擊性能的數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào),2009(S2):15-18.

[22] 甘云丹,宋力,楊黎明,等.聚脲涂覆鋼板水下爆炸抗沖擊實(shí)驗(yàn)研究[C]//第十屆全國(guó)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集.2011.

[23] 甘云丹,蒲興富,宋力.彈性體涂覆砌體墻抗爆炸沖擊數(shù)值模擬機(jī)[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2011,24(1):87-90.