聚脲裝甲結(jié)構(gòu)抗爆性能研究發(fā)展

池 海，王 剛，趙鵬鐸，張 磊，張 鵬，

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.海軍研究院，北京 100161)

高爆炸藥在空氣中爆炸時，形成了的高溫高壓氣體猛烈地推動周圍靜止的空氣，產(chǎn)生一系列的壓縮波向四周傳播，各個壓縮波最終疊加成沖擊波[1]。爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷具有很強的毀傷作用，抗爆能力是武器裝備的重要戰(zhàn)技指標，抗爆防護領(lǐng)域一直備受關(guān)注。若加厚傳統(tǒng)的鋼制裝甲必定導致武器裝備整體質(zhì)量增加，大幅降低其機動性，故防護材料的輕量化是武器裝備防護發(fā)展的重要方向。

隨著科技的進步，在防護結(jié)構(gòu)中引入新材料是一種提高抗爆防護能力的新手段。上世紀后期，出現(xiàn)了一種新型的復合材料聚脲彈性體。它是由異氰酸酯與氨基化合物反應生成的一種彈性體物質(zhì)[2]。聚脲彈性體具有柔韌性、耐磨性、良好的熱穩(wěn)定性且防濕滑、耐老化、防腐蝕；具有良好的理化性能和噴涂工藝；與金屬和非金屬材料基材間具有很強的附著力，基材經(jīng)過適當?shù)奶幚砗?一般是噴底漆)，可以對多種材料進行噴涂形成層狀結(jié)構(gòu)；在保持防護性能的基礎上，也解決了其它輕量化材料防護性能單一、不易加工等缺點[2-6]。隨著噴涂聚脲彈性體技術(shù)的發(fā)展，這種材料的優(yōu)異性能漸漸被材料界和工程界認知。聚脲復合材料以其優(yōu)點，具有廣泛的應用價值。近年來聚脲復合材料廣泛應用在裝甲抗爆防護領(lǐng)域，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，因此開展聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究，有著十分重要的意義。

由于聚脲復合材料抗爆機理涉及領(lǐng)域多，問題研究跨學科，單一的研究工作難以解決。本文主要針對國內(nèi)外聚脲裝甲結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究工作，對近年來關(guān)于聚脲彈性體材料力學性能和聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究情況進行了簡要綜述，并探討了該問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 聚脲彈性體材料的力學性能

要研究聚脲復合材料的抗爆性能，就要提供必要的力學參數(shù)，故需要對聚脲彈性體材料進行力學性能的測試。在低應變率(小于1.0 s-1)下，采用萬能材料試驗機進行材料的準靜態(tài)力學試驗；在高應變率(102s-1～104s-1)下，試驗加載過程短，采用霍普金森實驗技術(shù)。國內(nèi)外的科研人員通過動靜態(tài)力學試驗做了以下研究：

在國內(nèi)甘云丹等[7]利用伺服材料實驗機810MTS對聚脲的準靜態(tài)力學性能進行測試，完成以上3組應變率下的實驗，得到了聚脲在應變率為0.1/s、0.01/s、0.001/s時的應力-應變曲線，如圖1。比較三組應力應變曲線可看出由于加載速率不同導致在相同應變下材料的應力不同，且由于加載速率不同，材料的屈服極限隨著加載速率增加而增加。采用霍普金森桿裝置測試了聚脲材料在不同應變率下的動態(tài)壓縮力學性能，發(fā)現(xiàn)隨著對聚脲材料加載速率的提高，材料在準靜態(tài)和動態(tài)壓縮的力學性能有了一定的提高。表明聚脲材料具有明顯的應變率效應，即在材料加載速率提高的情況下，材料力學性能得到一定的提高。

圖1 聚脲彈性體在準靜態(tài)和動態(tài)壓縮下的應力應變曲線

蔡桂杰等[8]利用萬能材料試驗機INSTRON5969對高彈性聚脲材料進行了準靜態(tài)情況下的壓縮試驗，利用了霍普金森壓桿試驗機對聚脲材料的動態(tài)力學性能進行壓縮試驗，得到了如圖2所示的應力應變曲線。實驗表明伴隨聚脲材料加載速率的不斷提高，在材料應變率效應影響下，材料的靜態(tài)力學性能會有一定程度的提升，同時動態(tài)力學性能也會有一定程度的提升。材料的動態(tài)加載速率比準靜態(tài)加載速率要高出一截，這表明聚脲材料具有明顯的應變率效應。

圖2 不同應變率下聚脲材料壓縮試驗應力應變曲線

戴平仁等[9]針對高彈性聚脲材料開展了靜態(tài)壓縮和拉伸試驗，利用分離式霍普金森桿試驗機進行了動態(tài)壓縮試驗，其應力-應變試驗曲線如圖3。試驗表明聚脲彈性體在靜態(tài)壓縮和拉伸、動態(tài)壓縮的過程中具有明顯的非線性和應變率相關(guān)性，并且隨著應變的增加，出現(xiàn)彈性-線性硬化現(xiàn)象，剛度隨著應變率的增加而增加。在靜力學拉伸下，聚脲拉伸速率越快，其斷裂伸長率越高。在靜態(tài)壓縮下，當卸載時聚脲彈性體能夠快速的恢復變形。在動態(tài)壓縮下，當應變率為500 s-1、800 s-1時試樣無明顯變形；當應變率為1 500 s-1時試樣中間出現(xiàn)皺紋；當應變率為2 100 s-1時試樣中心發(fā)生裂紋，且試樣吸收大量的能量，溫度較高。

代利輝等[10]通過動態(tài)拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，應變率在600 s-1到1 500 s-1范圍內(nèi)，粘性-超彈性模型更適合描述高應變率下聚脲非線性和速率相關(guān)的應力-應變行為。高應變率下聚脲非線性應力-應變行為由多個階段組成的：初始的線彈性階段，非線性過渡屈服階段和硬化失效階段，且應變率越高，越有利于提高材料在動態(tài)載荷下對能量的吸收和耗散。

在國外J.Yi等[11]開展了聚脲彈性體材料的準靜態(tài)壓縮和動態(tài)壓縮試驗，通過研究不同應變率下材料的應力應變關(guān)系，不同應變率下的壓縮應力應變關(guān)系曲線如圖4。發(fā)現(xiàn)在載荷加載下聚脲彈性體發(fā)生大變形時的應力-應變曲線表現(xiàn)出明顯的滯后性。聚脲彈性體具有很強的非線性和應變率相關(guān)性，并且會經(jīng)歷從低應變率下的橡膠特性向高應變率下的皮革特性轉(zhuǎn)變。S.S.Sarva等[12]采用新的實驗技術(shù)研究了聚脲彈性體在不同應變率下材料的力學行為特性，精確的描述了聚脲彈性體具有極強的應變率相關(guān)性。

圖3 聚脲彈性體在不同條件下的應力-應變曲線

圖4 不同應變率下的壓縮應力應變關(guān)系曲線

J.A.Pathak等[13]分析了聚脲彈性體在低應變率下的拉伸力學性能，發(fā)現(xiàn)隨著應變率的增加，其強度和剛度增加而破壞應變減小。通過DSC分析發(fā)現(xiàn)材料的溫度效應同其微相分離的結(jié)構(gòu)(如圖5)關(guān)系很密切。

圖5 聚脲彈性體微觀結(jié)構(gòu)

J.Shim和D.Mohr等[14-15]采用改進的霍普金森桿裝置，對中等應變率加載下材料的力學性能進行研究，由于輸入輸出桿中多重波的反射作用，導致應變率不是一個常數(shù)，他們據(jù)此提出應該采用更長(大于20 m)或更短(小于0.5 m)的壓桿才能獲得均勻的應變率，并且在試驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著加載壓力的增大，應變率效應越加明顯。

S.N.Raman等[16]通過低中應變率下的拉伸試驗，不同應變率下的拉伸應力應變曲線如圖6。發(fā)現(xiàn)在高應變率下聚脲彈性體的應力應變行為具有顯著的非線性和率相關(guān)性，且其彈性模量隨著應變率的增加而增加。應變率對材料的彈性模量、剪切模量和屈服強度有一定的影響，且隨著應變率的增加，彈性模量和屈服強度增加，而剪切模量則基本不變。

圖6 不同應變率下的拉伸應力應變曲線

綜合以上動靜態(tài)力學性能試驗研究表明，聚脲彈性體具有優(yōu)異的力學特性，本構(gòu)關(guān)系呈非線性。在低中不同應變率情況下聚脲彈性體拉壓力學性能具有很高相似性。隨著應變率增大，聚脲彈性體會從橡膠態(tài)向皮革態(tài)轉(zhuǎn)變繼而向玻璃態(tài)演變，其剛度也增大。變形過程中，材料吸收并消耗大量能量，能夠迅速恢復原狀，表現(xiàn)出較好的自愈性。

2 聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)抗爆性能

近年來，針對不同類型的聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)的抗爆性能，國內(nèi)外的科研人員基于影響抗爆性能的不同因素，通過對比試驗或數(shù)值仿真做了以下研究工作：

在國內(nèi)甘云丹等[7,17-18]運用ANSYS/LS-DYNA軟件，使用定量分析法，數(shù)值模擬了以爆距、涂覆方式、涂覆厚度等因素衡量聚脲彈性體涂覆鋼板的抗爆性能力。模擬的結(jié)果(如表1)表明，彈性體涂覆鋼板的抗爆性能比未涂覆的鋼板的抗爆能力大約提高了24%。彈性體涂覆在鋼板的背面要比涂覆在鋼板的前面以及前后涂覆的抗爆能力要強。隨著彈性體涂覆厚度的增加，鋼板的抗爆能力沒有得到顯著的增強，同時也帶來了一些負面的影響因素如：鋼板的體積、涂覆后的復合板的成本都有了顯著的增加，得出涂覆2 mm厚的彈性體能顯著提高鋼板的抗爆能力的結(jié)論。另外他們對聚脲參數(shù)對抗爆性能的敏感性進行了研究，推斷出彈性模量和斷裂應變是影響聚脲涂覆鋼板抗爆性能的重要參數(shù)。他們還通過小模型水下爆炸實驗研究了彈性體涂覆鋼板的抗爆性能，試驗結(jié)果如圖7，通過觀察鋼板的變形及破壞情況，看到純鋼板破口比涂覆鋼板的破口要大，說明了聚脲涂覆鋼板抗爆能力比純鋼板抗爆能力要強。

表1 七種工況下的鋼板變形及破壞的模擬結(jié)果

圖7 純鋼板與聚脲前后涂覆鋼板抗爆性能的試驗結(jié)果

宋彬等[19-20]運用LS-DYNA有限元軟件對有無夾層及不同聚脲彈性體夾層厚度、不同配置方式(面板背板厚度比)結(jié)構(gòu)的抗爆性能進行研究，沖擊波在5種聚脲厚度夾層的衰減情況如圖8，通過理論計算與仿真相結(jié)合，主要得出下兩個方面的結(jié)論：① 推導了沖擊波在彈性體夾層復合結(jié)構(gòu)中的衰減公式，與夾層材料的波阻抗有關(guān)；② 沖擊波在聚脲彈性體夾層中衰減效果明顯，衰減幅度達到63.4%，可見聚脲彈性體有較強的消波作用。沖擊波在彈性體中的衰減與沖擊波在彈性體的傳播時間密切有關(guān)，傳播時間越長，衰減幅度越大。

圖8 沖擊波在5種聚脲厚度夾層的衰減情況

趙延杰等[21]通過聚脲涂覆鋼板水下爆炸試驗研究中發(fā)現(xiàn)，在涂層厚度相同時，相對于聚脲噴涂于鋼板的迎爆面鋼板或雙面，涂覆在鋼板背爆面時可以起到最好的防護效果，試驗結(jié)果如圖9所示，并發(fā)現(xiàn)在鋼板厚度保持不變的前提下，背爆面涂覆1倍板厚的涂層，抗爆能力提升大于10%；背爆面涂覆2倍板厚的涂層，抗爆能力提升大于20%；背爆面涂覆3倍板厚的涂層，抗爆能力提升30%～40%。

圖9 等厚度鋼板不同涂覆方式的毀傷試驗結(jié)果

戴平仁等[9,22-23]采用數(shù)值計算與抗爆轟試驗研究了聚脲彈性體對鋼板噴涂加固后的抗爆性能。結(jié)果表明：噴涂聚脲彈性體的鋼板破壞程度降低，當聚脲作為夾層填充時，靶板吸能最多，且能大幅度衰減沖擊波，抗爆性能優(yōu)于正面噴涂、背面噴涂、雙面噴涂。有無底漆對靶板抗爆性能影響較小，在靶板總質(zhì)量不變的情況下，聚脲涂層越厚，靶板抗爆性能越好。他們還采用數(shù)值計算研究了聚脲彈性體對鋁蜂窩進行噴涂加固后的抗爆性能，結(jié)果表明：噴涂聚脲彈性體的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)破壞程度降低，當聚脲對鋁蜂窩內(nèi)腔填充時，靶板不僅吸能最多，而且未發(fā)生破壞，抗爆性能優(yōu)于正面噴涂、背面噴涂和雙面噴涂。最后得出結(jié)論：當聚脲作為夾層填充時，靶板的吸能能力、衰減沖擊波的能力最好，且破壞程度最低，抗爆性能最好。

代利輝等[10]通過水下爆炸試驗研究涂覆有聚脲層薄鋼板的保護效果，其試驗結(jié)果如表2。可以看出相對于純鋼板，無論是涂在板的正面還是背面，聚脲都可為鋼基材提供顯著的抗爆性，面密度僅很小程度的增加；并且在薄鋼板上增加聚脲層厚度有助減少爆炸試驗中測試板的變形，這與材料在非線性動態(tài)力學變形過程中吸收大量能量有著直接的關(guān)系。

表2 相同爆距水下爆炸試驗不同工況的試驗結(jié)果

翟文等[24]通過對聚脲彈性體填充鋼板夾層靶板進行數(shù)值計算和試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：聚脲彈性體在爆炸過程中不僅能吸收大量能量，而且能抑制靶板發(fā)生大變形；為提高靶板抗爆能力，防止破片產(chǎn)生，其面板與背板需要有較好的強度與剛度。王小偉等[25]利用LS-DYNA對聚脲彈性體復合夾層結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動力響應進行模擬，在厚度或質(zhì)量固定條件下，聚脲彈性體夾層厚度對復合夾層結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響進行研究，單位厚度聚脲彈性體夾層內(nèi)能吸收率與厚度的關(guān)系曲線如圖10。研究發(fā)現(xiàn)：厚度固定條件下，鋼板厚度與聚脲彈性體夾層厚度比為1.4∶1.2∶1.4時，抗爆能力較好；質(zhì)量固定條件下，鋼板厚度與聚脲彈性體夾層厚度比為0.903∶3.5∶0.903時，抗爆性能較好。

圖10 單位厚度聚脲彈性體夾層內(nèi)能吸收率與厚度的關(guān)系

趙鵬鐸等[26]研究了聚脲不同涂覆方式下鋼板與箱體結(jié)構(gòu)的抗爆性能。結(jié)果表明：等面密度時迎爆面涂覆聚脲不能提高鋼板的抗爆性能，且復合結(jié)構(gòu)中涂層越厚，鋼板變形越大；等鋼板厚度時涂覆聚脲能夠有效提高鋼板與箱體結(jié)構(gòu)在外爆與內(nèi)爆載荷下的抗爆性能，得出背爆面涂覆時效果優(yōu)于迎爆面涂覆的結(jié)論。

在國外早年美國空軍研究室提出利用彈性體材料作為抗沖擊增強涂覆層的技術(shù)[27]。美國海軍將聚脲噴涂裝甲上形成噴涂型裝甲“Spmy-on Armor”，使其遭遇爆炸時可提升一倍的防護等級[28]，即3/16英寸厚度均質(zhì)鋼板噴涂聚脲后，抗爆性能和3/8英寸的相同，其試驗情況如圖11?？梢钥闯鰢娡烤垭鍙椥泽w的鋼板抗變形能力明顯提高。美國陸軍研究實驗室提出采用聚脲彈性體作為頭盔的懸架墊材料，可有效削弱爆炸沖擊波，加強對腦部的防護[29]。M.Grujicic等[30]把聚脲夾層作為頭盔的吸能材料，如圖12，通過數(shù)值計算以沖擊波超壓峰值作為評估聚脲衰減沖擊波能力。結(jié)果表明彈性體衰減沖擊波效果較好，聚脲彈性體涂覆在鋼板結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下可明顯提高其變形能力和吸能特性。

圖11 聚脲涂覆鋼板復合結(jié)構(gòu)抗爆試驗情況

圖12 聚脲頭盔

R.J.Dinan等對[31]噴涂聚合物的混凝土墻在爆炸載荷作用下的破壞機制進行分析。通過對單面噴涂墻體進行數(shù)次實爆實驗并通過高速攝影，發(fā)現(xiàn)在開裂處，聚合物產(chǎn)生高應變。研究者認為薄膜結(jié)構(gòu)能增強墻體的抗彎剛度和抵抗力，表明彈性體涂覆在墻的表面能有效增加其抗爆性能。

M.R.Amini等[32]分析單位厚度的能量變化發(fā)現(xiàn)：聚脲層作為背板時，由于聚脲材料的粘彈性特性，鋼板受到初始加載后，有一部分能量會被聚脲層吸收和彌散掉，因此能夠有效減少鋼板產(chǎn)生的塑性變形；聚脲層作為面板(沖擊側(cè))時，在爆炸沖擊加載下，聚脲層的剛度、硬度會明顯增加，使得同鋼板之間具有更好的阻抗匹配，因此能夠傳遞的能量越多，促進了鋼板的破壞。

K.Ackland等[33]對具有相同面密度但涂層方式不同的復合結(jié)構(gòu)的進行抗爆性能分析，等面密度不同涂覆方式的毀傷變形情況如圖13。發(fā)現(xiàn)聚脲層作為背板時，鋼板的破壞和殘余變形明顯減少，而作為面板(沖擊側(cè))時，鋼板的破壞反而得到了增強。

圖13 等面密度不同涂覆方式的毀傷變形情況

綜合以上對聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究表明：聚脲涂覆的復合裝甲結(jié)構(gòu)在抗爆過程中消耗大量的能量來減弱沖擊波，結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形是耗能的主要途徑，其次是通過材料特性使得沖擊波衰減彌散，故能夠有效加強防護性能，減小爆炸后鋼板的毀傷變形。聚脲涂層的位置以及涂覆厚度的不同對爆炸后鋼板變形量有著重要影響。大多數(shù)研究證明，等面密度下，按涂覆方式來測評抗爆性能從優(yōu)到劣依次為背爆面、裸鋼板、迎爆面；等鋼板厚度條件下，按涂覆方式來測評抗爆性能從優(yōu)到劣依次為夾心層、背爆面、雙面、迎爆面、裸鋼板；而對于涂覆厚度，綜合各科研人員的研究成果可以判斷，當彈性體厚度是鋼板厚度5倍至10倍時，吸能效果較好，若彈性體涂覆的厚度比例再增加，鋼板的抗爆能力沒有得到顯著的增強。

3 結(jié)論

1)在聚脲復合材料的力學性能方面，目前的研究發(fā)現(xiàn)了其非線性的本構(gòu)關(guān)系和低中應變率效應。近年來雖有學者完善其數(shù)值計算模型，但在高應變率拉伸領(lǐng)域的研究還不充分，難以完全描述其本構(gòu)關(guān)系和動力學行為。接下來需要據(jù)聚脲的力學應變率相關(guān)性建立和優(yōu)化能夠表征大應變、滯后性、應變率相關(guān)性等方面的數(shù)值計算模型，并要定量分析溫度效應。

2)在聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)的抗爆防護方面，目前僅僅研究了影響聚脲復合材料抗爆性能的因素，而這些因素對抗爆的作用規(guī)律及定量表征，包括沖擊波在聚脲材料中的衰減，復合裝甲的爆炸沖擊響應以及不同溫度下聚脲基材間的波阻抗匹配性等等，尚不構(gòu)成體系，限制了聚脲裝甲防護結(jié)構(gòu)的設計應用。今后需要研究藥量爆炸參數(shù)與裝甲結(jié)構(gòu)抗爆之間的表征關(guān)系，制定抗爆聚脲復合裝甲結(jié)構(gòu)設計方法，即要針對固定聚脲材料的型號，對任意藥量設計出合適的聚脲裝甲結(jié)構(gòu)，對設計方法進行優(yōu)化改進，提煉出經(jīng)驗公式，制定設計標準。