浅谈聚脲材料在军事领域的应用

温喜梅 王宝柱 郭焱 李永岗 王伟

(青岛爱尔家佳新材料股份有限公司 山东青岛 266100)

常规的防腐材料主要有环氧树脂、聚氨酯和乙烯基酯等,因其耐磨性、耐冲击性、耐候性一般,且施工复杂、不环保,已不能满足军事领域防腐与防护的应用要求。而喷涂聚脲材料与聚氨酯相比固化快,施工受环境温湿度影响小;与环氧树脂相比在力学性能、一次成膜厚度、柔韧性和环保等方面具有明显优势,目前已在防水、防腐及军事防护等领域得到了广泛的应用[1]。在防护应用领域,由于喷涂聚脲材料比普通材料固化速度快、施工便捷、立面连续喷涂不流挂,喷涂于产品表面成型后短时间内即可运输,不发生粘连,尤其适用于工位数目受限条件下的大批量生产。

聚脲材料应用范围广泛,国内外每年都会发现关于聚脲材料新的应用领域及方向。本文重点介绍了近年来其在军事领域中的推广应用情况。

1 在水面舰艇防腐中的应用

每年因撞击海岸或暗礁导致防腐涂层破坏的舰艇或冲锋舟不计其数,海水及盐雾的腐蚀,会使船体的损坏情况进一步恶化。美国有统计数据表明,船体的维护几乎耗费了整个维修过程的大半时间。因此为控制维修成本,美国海军研究实验室开发合成了一款快速固化的聚脲保护涂层,并已于1999年在船舰(如内部舱室、舵板和潜艇防滑甲板)上得到了实际运用[2]。

舰艇长期处于海洋环境中,优异的抗暴晒性、抗附着性和耐腐蚀性是舰艇甲板漆必须具备的性能。同时,因人员会在甲板上频繁往来走动,且有时在甲板上进行设备或器械的装卸,所以甲板漆必须具备优异的抗冲击性和耐磨性。美国海军在其舰船甲板上使用了脂肪族聚脲涂层进行防腐防护[3]。应用表明,聚脲材料性能优于传统材料,兼具耐磨、抗冲击和优异防腐蚀的特点,能改善防腐效果、延长使用寿命,且迅速固化、环保无污染。

2 在潜艇与鱼雷阻尼吸声中的应用

应用到潜艇、鱼雷等水下潜行设备表面的阻尼吸声聚脲材料,有减振降噪性能,可躲避声纳探测,达到隐形效果。除了材料本身应有良好的阻尼性能,聚脲可一次成膜、成膜厚度可调且固化速度快等特点也是选材需要考虑的。另外，聚脲表面平滑,能够减小水流带给壳壁的脉动压力,降低运动设备辐射噪声。

例如通过调整材料的弹性、伸长率和硬度等指标制备的具有海豚表皮及皮下脂肪组织力学特性的喷涂聚脲复合柔性减阻涂层,应用在水下运动物体表面,在4 m/s的水流流速下,减阻作用能达到12%～15%;在3～10 m/s的水流流速下,普通柔性阻尼涂层减阻率平均为5.18%,而该复合涂层减阻率平均为6.84%,远高于普通涂层的平均水平[4]。美国仿生学家现已使用聚脲材料合成了可附于鱼雷表面的柔性人造海豚皮涂层,在一定速度下,该涂层阻尼效果较为明显[5]。

3 在军用车辆防爆破中的应用

聚脲复合材料在欧美地区已成功使用到军用车辆(如装甲车、坦克等)抗爆防护领域。美国海军陆战队研究部门通过相关的研究发现,聚脲材料不仅具有较高的力学强度、耐冲击性及吸能性,而且具有优良的柔韧性、弹性和耐腐蚀性,能够有效地提高车辆底盘和车身的抗石击和防腐能力[6-7]。

2004年美国海军陆战队研究部门发现,在Humvee(悍马、快速军车)底部喷涂聚脲弹性体涂层可有效地减小爆炸或榴霰弹对车辆和人员的伤害。为进一步提高阻尼性能,可在B组分的制备过程中引入不同含量的酚醛树脂进行改性,同时通过添加具有片状结构的超细云母粉,使之与基体树脂形成无数个“微观约束阻尼结构”,使聚脲材料具有较高的吸能性,与车辆底部复合装甲相结合,可有效地抵御破甲射流侵彻,降低破甲型反坦克地雷爆轰波及爆炸物碎片对车辆破坏,同时可降低各种介质的渗透速率,提高材料的防腐蚀性能[8]。将其应用到车体内表面或地板表面,在装饰车辆和增强耐磨性能的同时,还能减小噪音和振动,增加乘车舒适度[9]。

4 在军需用具单兵防护中的应用

士兵在作战、训练或解决突发事故时应注意安全防护,穿戴或配备好训练服、防弹衣、头盔以及盾牌等防护用具。这些安全防护用具需要具备抗冲击、耐高低温、不易燃、不易破碎等特点,使其在使用过程中能够起到包覆及防护作用,尤其是头盔、盾牌和防弹衣。聚脲作为一种新型防护涂层,施工工艺简单,能够根据需要在防护用具的任意曲面喷涂成光滑平面或磨砂面,且不流挂,很好地满足上述要求[10]。另外聚脲防护涂层无毒无害,还可根据实际需要来调整涂层颜色,达到美观和隐蔽被喷涂目标的效果。目前青岛爱尔家佳新材料股份有限公司生产的聚脲防护材料已被北京普凡防护科技有限公司、山东新兴防护装备制造有限公司和湖南中泰特种装备有限责任公司等广泛应用在军需用具的头盔、插板及盾牌的防护上。

5 在防弹防爆方舱中的应用

防弹防爆方舱是一类能够广泛使用在海陆空及武警部队等多个领域的装载体,具体应用包括武器装备、后勤保障、技术支持甚至通讯系统等等[11]。它能够快速装卸、便于运输,可以对使用人员和使用设备起到最大程度的保护作用。

现今方舱使用的防爆防弹材料一般是防弹玻璃、金属板、各类复合材料(如纤维、陶瓷等)和弹性体材料。但是这些材料中很多自身都存在重要缺陷,严重限制了其应用,比如钢铁材料密度大重量重,某些高性能合金质轻但价格高昂等。采用轻质高强的纤维增强聚脲弹性体复合防弹防爆材料,与钢铁金属材料相比能够大大减轻军用方舱重量[12]。弹性聚合物材料对子弹的耗能减速机理是,当子弹高速射击而来时,弹性体会受到巨大的冲击力,此时的应变速率能达105s-1,弹性体材料在较高频率下,玻璃化转变温度会升高,导致玻璃化转变发生变化,同时在这种动态力学条件下,应力会跟不上应变的变化,而出现滞后生热,消耗大量能量,从而达到阻尼防弹的效果。

6 在军用永久工程防护中的应用

混凝土军事永久工程在现代化战争中十分重要,但其在各种各样严苛的使用条件下可能受到严重腐蚀或破坏,影响战时的使用功能。而聚脲材料本身具有高强度、高抗冲和连续致密不渗漏的特性,其与芳纶纤维复合,应用在军用场合(如核电站、地下工事、隧道及洞库等处),能很好地封闭混凝土表面的空隙,阻隔外界的腐蚀性介质,可有效遏制介质中离子进入混凝土内部对钢筋造成侵蚀,使这些场合得到充分的保护，延长其使用寿命[13]。1999年,轻质耐磨的高性能聚脲材料就被美军材料专家使用于混凝土建筑表面,能够有力地抵御爆炸冲击,有效降低破片毁坏力。

喷涂聚脲材料施工速度快,可以满足军事工程对于战时抢修和强建的特殊要求,喷涂快反应型聚脲于易发生塌方、滑坡和泥石流等不稳固地方,能够在关键时刻和突发事件发生时快速修复，减少事故造成的损失。可利用聚脲涂层的抗撕裂和高弹性在坍塌事故发生时防止粉碎性破裂和溅落,保护受损墙体,避免二次伤害[14-16]。根据美国防务领域资料显示,这类抗爆型建筑材料已经在五角大楼的部分墙体上投入使用[17]。

7 结束语

目前国内的聚脲材料技术在军事领域的应用与国外相比还存在一定差距,普通喷涂聚脲材料无法满足多种功能需求。例如,在防弹和防爆破领域需要聚脲材料具有非常高的拉伸强度和撕裂强度;在军需库、加油站需要聚脲材料具有优异的阻燃性能等,因此需要对常规喷涂聚脲进行改性研究。另外,在聚脲复合结构的抗爆防护应用方面,仅研究了影响聚脲复合材料抗爆性能的因素,但各因素对抗爆的作用规律、冲击波在聚脲材料中的衰减、聚脲复合结构材料的实际应用设计等方面研究不成体系。这要求研究人员对聚脲材料进行更深入的研究,提高聚脲材料的各项性能指标,拓宽其在军事领域的应用,为我国国防建设作出更大的贡献。