聚脲基体复合材料抗爆耐冲击性能研究进展

贾艺凡

（军事科学院国防工程研究院 北京 100850）

1 引言

空气中的爆炸可分为物理爆炸、化学爆炸等，其中TNT炸药爆炸属于化学爆炸，当TNT在空气中爆炸时，炸药在极短的时间内瞬间将全部的化学能转化为爆炸能量，爆炸产生的产物转为高温、高压状态的爆轰产物，会迅速挤压周围的气体，形成压力巨大的冲击波。冲击波在空气中的传播是指数衰减的，冲击波峰值压力是随着距离的增大而减小的，而且衰减速度极快，因此距离越远，伤害越低；距离越近，伤害越高。炸药起爆时周围的冲击波超压可以达到几十兆帕，因此爆炸源周围的建筑物和物体都会因受到冲击波的作用而产生一定程度的破坏，有的爆炸事件能够摧毁整座建筑结构，有的则导致结构局部关键构件的失效或者引起砌体填充墙、门窗等非受力构件的破坏。与此同时，建筑结构在爆炸引起的碎片、地面振动以及火灾等次生灾害作用下，亦有可能发生显著的局部破坏，以及因局部破坏引起的连续倒塌。严重时甚至会因为关键性的构件被毁坏而导致结构失去承载能力，不能保持平衡，加剧了灾害程度。最重要的一点是冲击波对人身安全所造成的伤害是致命的，爆炸过程中冲击波会毁坏周围的物体，所产生的碎片对人身的伤害足以致命。因此，研究和分析如何提高建筑防爆抗爆能力，是我们急需解决的一大课题。

2 常规抗爆措施的研究现状

在建筑结构受力构件的抗爆措施研究方面，国内外学者分别通过数值模拟与实验对比，研究了采用高强建筑材料如高强纤维混凝土、钢筋高强纤维混凝土等提高建筑结构构件的抗爆性能的可行性；同时，研究了采用外表面粘钢板、碳纤维材料、玻璃纤维材料等不同的加固方法对于提高钢筋混凝土板、钢筋混凝土柱以及砌体砖墙抗爆性能的有效性[1]；Schenker等[2]以及Hanssen等[3]分别对受到泡沫铝材料保护以及没有保护措施的钢筋混凝土薄板承受爆炸冲击的变形及破坏形态，进行了详细的原型现场实验，并验证了泡沫铝材料消波作用的有效性。国内学者还研究了普通防爆墙、水体防爆墙以及在结构上附加阻尼器等措施对降低结构响应、提高结构抗爆性能的作用[4]。

在建筑结构非结构构件的抗爆措施研究方面，国内外学者主要进行了两方面的研究：一方面重点研究了爆炸荷载作用下防爆门可能的破坏过程，对各种不同工况下防爆门的技术性能进行评估[5]；另一方面，对爆炸荷载作用下门窗玻璃及玻璃幕墙的破坏进行了分析，提出了通过结构可靠性分析计算爆炸荷载作用下门窗玻璃破坏以及产生安全灾害的可能性[6]，给出了玻璃幕墙抵抗爆炸冲击波设计的途径，建立了冲击波荷载的计算原则[7]。

总体上看，目前国内外的相关研究工作涉及范围很广，研究内容很多，但仍存在一些问题。为了尽可能减少意外爆炸造成的人员伤亡和财产损失，在考虑提高结构抗爆性能的同时也要改变结构的易碎、低抗弯强度、低应变能吸收等缺点，有效包覆爆炸荷载下砌体产生的高速碎片，降低室内人员伤亡。

3 聚脲材料抗爆耐冲击性能研究

近些年，聚脲作为减缓爆炸冲击材料已被广泛研究，是一种弹性嵌段共聚物，由异氰酸酯和氨的反应生成，具有优异的机械性能、高弹性模量、高拉伸强度（12～45 MPa）、高延展性和良好的抗冲击性[8]。自21世纪以来，美国陆、海、空军逐渐将聚脲用作船舶、飞机、装甲车辆和防御工事的防护涂层。

3.1 纯聚脲材料的抗爆性能研究

Raman等[9]进行了关于混凝土-聚脲复合材料作为混凝土结构抗爆加固材料的应用研究，聚脲涂层和未涂层混凝土板用3种不同的装药重量（0.1、0.5和5 kg）铵梯炸药在不同的间隔距离进行爆炸测试，研究了混凝土板的裂纹扩展，离面位移和失效模式。此外，一些学者使用LSDYNA[9]有限元分析程序进行数值模拟实验，结果表明，聚脲涂层对结构单元抗爆能力是有积极作用的。此外，学者们更多使用聚脲涂层作为减缓冲击载荷的有效机制[10-12]，聚脲材料在防护结构中作为减轻爆炸冲击的组成部分显示出巨大的潜力。在结构表面喷涂高强度、高拉伸性能的聚合物，能有效包裹爆炸冲击波作用下产生的高速碎片，有效缩短爆炸的危险距离，减少室内人员的伤亡。

Chen等[13]发现背面有一定厚度聚脲的钢板涂层可以吸收能量并更好地防止散裂碎片。Gan等[14]模拟了涂有聚脲的钢板在水下爆炸载荷下的力学性能，发现聚脲涂层可以将钢板的抗爆性能提高20%。Ackland等[15]研究了在钢-聚脲复合板上进行的爆炸实验和数值方法研究，结果表明聚脲涂层对钢板变形有一定的影响。与聚脲复合钢板相比，纯钢板在离面位移方面表现更好。在相同的爆炸载荷下，聚脲涂层厚度增加时变形钢板变形也会加剧。聚脲涂层未起作用的原因被认为是在爆炸发生时聚脲涂层与金属层剥离，这应该是少有的实验和数值研究表明了聚脲应用的负面结果。Ackland等[16]和Samiee等[17]发现，钢板背面涂覆聚脲时具有更好的抗冲击性和相对少的变形。当聚脲涂层在钢板的迎爆面上时，聚脲会在爆炸产物的高温下熔化[18]，由此聚脲的力学性能无法充分利用。此外，由于聚脲的波阻抗远小于钢板的波阻抗，涂在结构表面上的聚脲将对爆炸初始冲击载荷产生放大效应[19]。因此，聚脲通常作为防护涂层涂覆在结构的背爆面上。

3.2 聚脲材料抗冲击性能机理研究

Roland等[20]通过分析聚脲材料的介电谱图以及弹体侵彻聚脲弹性体喷涂钢板的实验结果发现，聚脲弹性体抗冲击的主要机理是从高弹态转变至玻璃态的相变过程，研究指出能量吸收的程度与实验温度和玻璃化转变温度密切相关。Grujicic等[21]采用数值模拟的方法，基于上述能量吸收的机理验证了高弹态向玻璃态转变机制是由应变率引起的。结果表明，当应变率较低时，聚脲材料表现出高弹态；当应变率与聚脲材料分子链震动频率相同时，将进入高弹态向玻璃态转变的过程，并且在此期间聚脲材料会吸收大量的能量；当应变率继续增加，聚脲材料完全转变成玻璃态。聚脲材料的力学性能在爆炸荷载条件下与实验温度和玻璃化转变温度的温差密切相关，当温差较小时（实验温度仍高于玻璃化转变温度），在相变过程中聚脲材料表现为玻璃态；当温差较大时，聚脲材料表现出普通弹性体的高延展性和韧性，即高弹态。可以看出，在爆炸荷载下聚脲材料的力学性能与本身的化学组成、微观结构和实验温度密切相关。也有研究者指出聚脲材料能提高抗冲击性能和能量吸收的潜在机理在于冲击波阻抗不匹配、冲击波弥散、破坏模式的转变以及应变移位等。

3.3 聚脲与纤维复合材料的研究进展

一般来说，聚脲的力学性能取决于它的组成成分，是一种几近不可压缩和无限制的材料。聚脲的弹性响应近似看作是体积变形，而高于玻璃化温度的剪切是其粘弹性和柔性的作用[22]。通常，聚脲涂层越厚越能有效增强结构的抗冲击性[23]，但由于成本原因，通过增加聚脲涂层的厚度来增加结构的抗冲击性是不切实际的。

聚脲的延展性高于加固结构，而弹性模量远低于结构的弹性模量。研究人员考虑使用具有高弹性模量和高强度性能的纤维材料与聚脲，形成具有能量吸收能力的复合材料。Johnson等[24]发现芳纶纤维与聚脲复合喷涂在混凝土砌墙上，对比爆炸荷载、静态面荷载作用下实验，聚脲弹性体提高结构刚度和抗弯曲能力，芳纶纤维能有效帮助聚脲弹性体增强结构刚度的性能；动态加载下，高强度芳纶纤维提高墙体稳定性，降低背爆面因冲击波而产生的飞射碎片。Carey等[25]发现，聚脲作为涂层材料与一定体积分数的短切玻璃纤维混合，不仅可以防止爆炸碎片的扩散，还可以提高结构的抗剪切能力。Nantasetphong等[26]将各种体积分数的研磨玻璃添加到聚脲基体中以形成聚脲-研磨玻璃复合材料。动态力学分析测试表明，随着研磨玻璃体积分数的增加，复合材料的储能和损耗模量显著增加。

聚脲能提高混凝土的韧性，降低刚度，提高混凝土的抗弯强度。Ha等[27]在碳纤维布背面喷涂一层聚脲，形成聚脲-碳纤维增强塑料复合结构。在距硝酸铵燃料油炸药一定距离进行爆炸测试，聚脲-碳纤维增强塑料复合钢筋混凝土板的损伤面积小于普通钢筋混凝土板和聚脲增强钢筋混凝土板。与编织纤维布相比，编织纤维网具有低成本和轻质的优点[28]。此外，纤维网可以作为聚脲基体中的“软钢筋”，具有与复合钢筋混凝土结构中的钢筋相同的增强机制[29]，将编织玻璃纤维网等距埋入聚脲基体中，喷涂在钢板上，结果表明降低复合钢板整体变形的主要原因是编织玻璃纤维网对聚脲基体具有增强效果。

4 抗爆防护材料的研究展望

综上所述，加入一定量纤维的聚脲基体可显著提高其抗冲击性。目前，碳纤维，玻璃纤维和玄武岩纤维是工程中常用的纤维材料。连续玄武岩纤维具有良好的耐低温耐高温性能（-269～700 ℃），化学稳定性（耐辐照、耐久性、耐酸性、耐烧蚀、耐水解、耐核辐射等），拉伸强度相当于T300碳纤维，价格是碳纤维的1/8或1/6，力学性能比普通玻璃纤维普遍高出15%～20%，低的导热系数、高的吸音系数（0.90～0.99）和高出玻璃纤维一个数量级的体积电阻率。

综合考虑经济性和实用性，可以选择玄武岩纤维作为增强纤维材料与聚脲基体复合研究，深入详细地解释该复合材料的抗爆极限、动态响应过程、施工标准、材料改性等问题，这对于发展我国自主研发抗爆防护材料及应用推广喷涂聚脲材料具有更多价值。