聚脲涂层复合结构防护性能研究现状

黄阳洋，王志军，赵鹏铎，张 磊，张 鹏

(1.中北大学机电工程学院， 太原 030051； 2.海军装备研究院， 北京 100161)

传统的防护装甲为钢制装甲，但是大量使用钢制装甲将导致船体质量增大，使搭载的武器弹药减少或航速降低，从而削减了舰船的战斗力和机动性[1]。因此，防护材料的轻量化对于舰船的发展至关重要。

陶瓷材料作为典型的轻量化防护材料在舰船领域得到越来越多的应用，通过与其他材料合理搭配组成的复合结构具有较好的抗弹性能。但是，陶瓷材料脆性大，其结构缺乏像金属材料那样在受力状态下发生滑移引起塑性变形的能力，在爆炸冲击中极易破碎产生碎片，其抗爆性能较差[2]。此外，陶瓷材料后加工能力低，不易回收。玻璃纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维轻质高强易于加工，对爆炸冲击波具有良好的衰减作用[1]。但是，由于纤维结构表面呈现较大的惰性，不利于与树脂及橡胶等基体粘结，与基材之间容易形成分层，限制了复合材料性能的发挥。

涂层技术的应用使得材料的性能得到全面提升，对于结构大和复杂的水面舰船更为适用。其中，喷涂聚脲技术综合性能优异，具有固化速度快、施工便捷、涂层厚等优点，并且聚脲密度低、性能高，与金属和非金属材料基材间具有很强的附着力[3]。在保持防护性能的基础上，也解决了传统轻量化材料防护性能单一、不易加工等缺点，保证了舰船防护的高效化、轻量化。

1 抗弹性能研究现状

针对聚脲涂层复合结构的抗弹性能，国内外有学者采用等面密度条件作为各工况对比依据；或者对比涂覆聚脲与否或涂层厚度大小来分析抗弹性能。

在等面密度条件下，Mohotti等[4-6]对不同厚度与位置的聚脲层对于铝与聚脲组成的复合结构抗高速弹体冲击影响做了试验研究与局部仿真研究(如图1)。Xue 等[7]通过对侵彻过程中复合结构各层的能量耗散进行数值模拟研究(如图2)，许帅[8]根据等面密度原则，设计了三种结构(无涂层铝板、三明治结构和层状涂覆结构)(如图3)。结果表明：聚脲层作为层状涂覆结构时，弹丸速度降最大，尤其作为背板时，有助于吸收破片，效果最为显著。同时，在等面密度条件下，涂层越厚(底材越薄)时，速度降随之增加；而作为夹层时，并不有助于提升抗弹性能，随夹层厚度增加速度降反而降低。

其他学者也进行了一系列试验或仿真，Cai等[9]对高速弹体冲击下POSS增强型聚脲涂层+钢结构的抗弹性能与自封闭行为进行了试验与仿真研究。发现结构在高速冲击条件下具有较强的自动封闭能力，能够有效地减小液体从冲击孔的外流，但相比钢其抗弹性能并没有明显变化。Fowler[10]和Al-Ostaz[11]等发现聚脲层能够提高侵彻过程中的弹道阻力。通过对比聚脲涂层和聚丁二烯涂层结构的抗弹性能，Bogoslovov[12]等发现在硬质钢表面涂覆一层10 mm厚的聚脲涂层，在受冲击时聚脲涂层会发生玻璃化转变，防弹性能得到提高，能量吸收密度高达4 GJ/m3，而同比聚丁二烯涂层未发生玻璃化转变，具有相同厚度的聚脲高弹体涂层的吸能密度只有0.04 GJ/m3。

国内外学者的研究发现，聚脲涂层作为层状结构(厚度为6～20 mm)，底材为金属材料(厚度为5～12 mm)，速度在800～2 000 m/s时，抗弹性能得到提升，且作为背板时，性能最为显著，同时能够增强吸收破片的能力，减缓二次毁伤；在等面密度条件下，涂层厚度越厚(底材越薄)，吸能效果越好，其主要吸能特性表现为玻璃化转变。但是作为夹层结构时，抗弹性能并没有得到显著提升。

2 抗爆性能研究现状

国内外学者对于聚脲涂层结构的抗爆性能，或在等面密度条件下，进行不同工况的对比试验和仿真研究；或直接进行是否涂覆聚脲涂层的比较试验或仿真研究。

等面密度条件下，Ahsan Samiee等[13]运用LS-DYNA对钢与聚脲复合结构在爆炸加载下涂层位置、厚度以及爆炸传播方式的影响进行了数值仿真研究。结果表明：钢+聚脲的复合结构抗爆炸变形能力最好，且聚脲层越厚越明显；相比聚氨酯，水作为中间传播介质时变形程度要更小。Kathryn Ackland等[14]通过试验和数值仿真对钢+聚脲涂层复合结构的抗爆炸冲击性能进行了研究。发现单钢板结构的变形量都要小于不同厚度聚脲层的复合结构，其耗能效果更好；聚脲涂层越厚，结构的变形量越大。对比试验和仿真结果得出：层间的粘结强度对于变形量的一致性起着关键作用。如图4所示。

Baylot等[15]对混凝土砌块墙的研究表明：在其表面粘合或喷涂一层高聚物(高弹性体如聚脲等)后，可以增强其抗爆炸冲击波的能力。Amini,MR等[16]对圆板在冲击载荷作用下的动态响应进行了实验研究，发现聚脲涂覆在钢板上可提髙能量吸收能力。宋彬等[17]应用LS-DYNA软件对无夹层、聚脲弹性体夹层和橡胶夹层三种防爆罐在1.2 kg TNT爆炸载荷作用下的动态响应过程和抗爆性能进行数值模拟。结果表明，在相同爆炸载荷作用下，无论变形或能量吸收方面，聚脲弹性体夹层防爆罐都优于无夹层防爆罐和橡胶夹层防爆罐。Grujicic等[18-19]提出了在高应变率加载条件下的聚脲具有良好的力学性能，使其涂覆钢板结构在爆炸冲击作用下明显提高变形能力和吸能特性。Tekalur等[20]将聚脲(PU)与E-玻纤/乙烯酯(EVE)复合材料制成不同顺序组合的层叠板材料或夹心板材料，结果表明相同厚度下聚脲层面向冲击管时，层叠板的抗冲击性能比单独EVE板要好。此外，甘云丹等[21-23]通过数值模拟研究了弹性体涂覆钢板的水下抗爆性能，总结出弹性体可使钢板的抗爆能力提高20%[21]。如图5所示，并实验证明了聚脲材料有明显的应变率效应，通过水下爆炸试验证明了仿真结论正确[22]。后又通过模拟弹性体涂覆砌体墙的抗爆动态响应分析得出，弹性体涂覆能有效提髙抗爆能力[23]。

据以上研究情况表明，聚脲涂层可以增强底材的抗爆性能，加速冲击波的衰减，有效降低复合结构的变形。金属材料为作为底材时，背爆面涂覆的抗爆性能提升效果最佳；玻璃纤维为底材时，夹心层、迎爆面涂覆、背爆面涂覆的抗爆性能均有所提高。按抗爆性能的高低将其排列，则为：夹心层>迎爆面>背爆面。同时聚脲涂层与底材间的粘结强度同样会影响复合结构的变形，从而影响其抗爆性能。

3 结论

根据国内外聚脲材料的发展现状，可以归纳为以下几点：

1) 聚脲涂覆的底材，以金属材料钢和铝等均质材料为主；对于各向异性非均质喷涂于混凝土表面用于内爆防护已证明效果较好；

2) 聚脲的应变率效应明显，不同应变率下存在形态转变，这就致其本构关系和失效模型较为复杂，现有的数值仿真模型参数难以完全描述其在高速冲击和爆炸载荷下的动力学行为，应具有适用范围；

3) 聚脲的材料属性均为弹性体，且弹体种类、撞击速度与爆炸载荷大小的范围广，聚脲作为复合结构的背面层时，结构的抗弹抗爆性能最佳。但目前研究尚不构成体系。

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