高硬度聚脲涂覆FRC復合結構抗沖擊性能試驗分析

趙鵬鐸，賈子健，王志軍，張磊，徐豫新 ，張鵬

1海軍研究院，北京100161

2中北大學機電工程學院，山西太原030051

3北京理工大學爆炸科學與技術國家重點試驗室，北京100081

0 引 言

在彈體的爆炸沖擊載荷作用下，結構體會發(fā)生嚴重破損，產生大量破片，并對設備和人員帶來二次殺傷。因此，為提高結構體的生命力，首先要提高結構體的抗爆抗沖擊能力［1］。目前，國內外在防護結構上采用的輕型復合裝甲多使用玻璃纖維、芳綸纖維、高分子量聚乙烯等輕量化材料［2-4］，這些防護結構合理利用了纖維材料具有較大的斷裂伸長率和抗拉強度，以及易加工等優(yōu)點，再結合防彈裝甲進行加裝，可增強防護結構的抗破片侵徹效果，緩解爆炸沖擊對設備和人員的傷害［5-6］。但是，使用上述復合材料的防護結構僅具備一定程度的抗低速破片侵徹的能力，而抗高速破片侵徹的效果不大。在新型防護材料中，聚脲是一種可以進一步改善結構防護性能的材料［7-8］。

目前，在多數(shù)抗爆抗沖擊工程領域，采用較多的是噴涂聚脲彈性體，即一種玻璃化溫度低于室溫、斷裂伸長率大于50%、外力撤出后復原性較好的高分子材料。本質上，彈性體與聚脲均屬于高分子聚合物。彈性體材料所涵蓋的斷裂伸長率、硬度等力學性能參數(shù)范圍很大，多數(shù)聚脲材料一般均包括在內，但有部分聚脲材料超過了彈性體的范疇，所以聚脲彈性體既是聚脲材料的一個大類，也是彈性體材料中的一種。在少數(shù)針對聚脲材料結構的抗侵徹防護研究中，其所用材料均限于聚脲彈性體［9］，且涉及的聚脲抗爆抗沖擊復合結構的研究也局限于聚脲彈性體材料（軟質聚脲），而涉及非彈性體聚脲（硬質聚脲）的研究則較少。

本文將以具有低密度、低斷裂伸長率、低成本以及便于施工等特點的非彈性體聚脲材料為主要研究對象，基于聚脲材料和輕量化材料以不同方式結合使用的思路，開展聚脲涂覆鋼板復合結構的沖擊加載試驗，通過對不同復合結構的極限比吸收能及彈道極限速度指標的對比分析，驗證不同聚脲涂層對復合結構抗沖擊性能的影響。

1 試驗材料

1.1 硬質聚脲

聚脲是由異氰酸酯與氨基化合物這2種組分均勻混合后反應生成的一種物質，兩種組分的配比不同，反應生成的聚脲材料的力學性能也存在差異。聚脲材料具有非常優(yōu)秀的力學性能，例如較高的彈性模量、較好的抗沖擊性能、耐磨等。在工程應用中，該材料一般需要結合底材（例如鋼、鋁等及其他非金屬材料）一起使用，而且聚脲材料與底材之間的附著力較高，可長期不脫落。在噴涂使用前，通常需要對底材進行清潔處理、噴砂、涂底漆等工序，以提高聚脲材料的附著力［10］。

目前，海洋化工學院已研制出適合中國國情的SPUA及SPU（A）各6大系列聚脲產品，并已在多項工程中大量使用［11］。聚脲材料的色澤在加工中可按需調制，在正常實驗室條件下（溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%、固化一周）測得聚脲材料相應的力學性能參數(shù)。其中，斷裂伸長率與邵氏硬度具有相關性，高斷裂伸長率聚脲材料所對應的表面硬度較低，低斷裂伸長率聚脲材料所對應的表面硬度較高。本次試驗中使用的高硬度聚脲材料產品型號為SPUA-307，表1給出了其力學性能參數(shù)。

表1 SPUA-307高硬度聚脲材料力學性能Table 1 Mechanical properties of the SPUA-307 high hardness polyurea materials

1.2 涂覆底材及破片

本文試驗采用的復合結構由聚脲涂層與玻璃、芳綸等多種纖維材料組成的底材混合而成，圖1所示為涂覆了聚脲的玻璃纖維—芳綸（FRC）復合板。由于玻璃纖維材料具有較高的硬度及拉伸強度、較低的斷裂伸長率以及耐高溫、性脆等特點，在工程應用中始終作為迎彈面，以更好地依靠材料的脆性來消耗破片侵徹沖擊的能量。而芳綸纖維屬于一種柔性高分子材料，具有高斷裂伸長率的特點，通常作為背彈面使用，可以起到兜住飛出的破片及消耗破片能量的作用。

圖1 復合材料涂層及聚脲涂層Fig.1 The composite laminated plates and polyurea coating

本文使用的復合板尺寸為325 mm×365 mm，厚度為9 mm（其中，玻璃纖維材料厚6 mm，芳綸材料厚3 mm）。表2和表3分別給出了玻璃纖維和芳綸材料的相關力學性能參數(shù)［12］。在涂覆聚脲層前，先對復合板進行清潔處理，以保證涂層與復合板間的粘結強度。試驗用立方體破片的質量為3.3 g，尺寸7.5 mm，材料為35CrMnSiA鋼。表4給出了熱處理后35CrMnSiA鋼的準靜態(tài)力學性能參數(shù)。

表2 玻璃纖維材料力學性能Table 2 Mechanical properties of the glass fiber

表3 芳綸材料力學性能Table 3 Mechanical properties of the aramid fiber

表4 35CrMnSiA鋼準靜態(tài)力學性能Table 4 Quasi-static mechanical properties of 35CrMnSiA steel

2 試驗內容

2.1 試驗原理及工況

利用北京理工大學試驗場口徑為12.7 mm的滑膛彈道槍對涂覆了聚脲材料的FRC復合板進行破片加載試驗，采用六通道計時儀采集和計算破片速度。彈道槍試驗布置如圖2所示，槍口與靶前測速Ⅰ靶的距離為671 mm，靶前測速Ⅱ靶至目標靶板的距離為1 285 mm，兩個靶前測速靶的間距為1 430 mm，射擊距離為3 386 mm。具體試驗工況如表5所示。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Sketch of experiment setup

表5 試驗工況Table 5 Experimental conditions

2.2 試驗結果

表6給出了高速沖擊試驗中破片穿透靶板及未穿透靶板的有效組，表7給出了不同靶板的高速沖擊試驗結果及計算獲得的彈道極限速度［13］。其中，彈道極限速度采用式（1）所示的美國Frankford兵工廠試驗數(shù)據(jù)處理方法［14］計算得到。

式中：υ50為彈體穿透靶板的彈道極限速度；υA為試驗中所有測試速度的均值；NP為未穿透靶板的發(fā)數(shù)；NC為完全穿透靶板的發(fā)數(shù)；υHP為未穿透靶板的最高速度；υLC為完全穿透靶板的最低速度。

表6 不同靶板的高速沖擊試驗結果Table 6 Results of high speed impact experiment for different target plates

表7 不同靶板的彈道極限速度和相對增幅Table 7 The ballistic limit velocity and relative growth of different target plates

當破片以彈道極限速度υ50加載到靶板時（υ50的取值見表7），在保證靶板被穿透的同時，破片剩余速度為0，則破片所有能耗Eλ為

式中，m為破片質量。

根據(jù)能量守恒定律，破片所有能耗Eλ轉化為靶板的抗破片侵徹吸收能量，結合靶板面密度（具體見表5），由式（2）計算得到靶板單位面密度吸收能（極限比吸收能Ei），如表8所示。

式中：ρ1，ρ2，ρ3分別為聚脲、玻璃纖維、芳綸材料的密度，其值具體見表1，表2和表3；H1，H2，H3分別為靶板結構的上述3種材料厚度，分別為4，6，3 mm。

表8 不同靶板結構的極限比吸收能和相對增幅Table 8 The limit specific absorption energy and relative growth of different target plates

3 結果分析

本文以結構的彈道極限速度及單位面密度吸收能為指標，研究分析不同結構抗破片侵徹能力的優(yōu)劣性。由表7和表8可以看出，不同靶板的彈道極限速度、極限比吸收能與涂覆方式相關。

由表7可以看出，相比無涂覆聚脲的FRC復合板，迎彈面聚脲復合板的彈道極限速度提高了16.12%。相反，背彈面聚脲復合板、雙面涂覆聚脲復合板卻分別降低了8.65%和10.34%?？梢?，迎彈面涂覆聚脲的復合板彈道極限速度提高效果最佳；背面涂覆和雙面涂覆次之，且涂覆聚脲對兩種板結構彈道極限速度的增幅有一定的抑制作用。

由表8可以看出，不同靶板的極限比吸收能與結構彈道極限速度有類似的變化規(guī)律，極限比吸收能的相對增幅受到聚脲涂層不同涂覆位置的影響。其中，迎彈面聚脲涂層的結構極限比吸收能提高了5.12%，而在背彈面和雙面涂覆聚脲涂層則大幅度降低了結構的極限比吸收能，降幅分別達34.94%和37.33%。

為了分析涂覆了高硬度聚脲和軟質聚脲的玻璃纖維—芳綸復合板抗沖擊性能的優(yōu)劣性，本節(jié)與文獻［12］中關于涂覆軟質聚脲的玻璃纖維—芳綸復合板的試驗數(shù)據(jù)進行了對比驗證，結果如表9所示。

通過對比，發(fā)現(xiàn)相比涂覆了軟質聚脲的迎彈面，涂覆了硬質聚脲的復合板的彈道極限速度及極限比吸收能提高了約8.2%和16.9%，而涂覆了軟質聚脲的涂層則降低了復合板的極限比吸收能，即對耗能產生了抑制作用；相比涂覆了軟質聚脲的背彈面，涂覆了硬質聚脲的復合板的彈道極限速度及極限比吸收能分別降低了約2.8%和5.6%。

表9 不同性質的聚脲復合結構試驗結果對比Table9 Experiment result comparisons of polyurea-coated composite structure with different properties

下節(jié)將結合高硬度聚脲涂層和軟質聚脲涂層的宏觀破壞形貌，進一步分析不同性質聚脲涂層的防護性能。

4 宏觀破壞形貌分析

圖3～圖7所示為硬質聚脲涂層、軟質聚脲涂層復合板（靶板）的破壞模式示意圖。

圖3 無聚脲涂層靶板的宏觀破壞形貌對比Fig.3 Macroscopic fracture comparisons of non-polyurea-coated target plates

圖4 迎彈面涂覆硬質聚脲靶板的宏觀破壞形貌對比Fig.4 Macroscopic fracture comparisons of the front of high hardness polyurea-coated target plates

圖5 背彈面涂覆硬質聚脲靶板的宏觀破壞形貌對比Fig.5 Macroscopic fracture comparisons of the back of high hardness polyurea-coated target plates

圖7 涂覆軟質聚脲靶板的宏觀破壞形貌對比Fig.7 Macroscopic fracture comparisons of soft polyurea-coated target plates

從以上圖可以看出，不同于軟質聚脲，硬質聚脲涂層呈現(xiàn)出了脆性斷裂破壞模式，靶板在沖擊作用下涂層受到影響的區(qū)域較大，且破壞程度明顯，發(fā)生了大面積的脆性脫落。具體分析如下：

1）當迎彈面涂覆硬質聚脲涂層時，聚脲涂層發(fā)生了以破片沖擊作用點為中心呈圓形的大面積脫落情況，其直徑約為破片尺寸的4～5倍。同時，靶板面的破片入口尺寸相比無聚脲涂層結構的尺寸偏??；在彈丸穿透及未穿透的情況下，靶板背部纖維出彈口的纖維絲抽拔及鼓包均小于無涂層靶板。

可見，迎彈面涂覆硬質聚脲不僅能對靶板的能耗效應產生影響，且憑借其較高的強度抵御了破片開坑沖擊，吸收消耗了破片沖擊動能并傳遞了沖擊載荷，進而提高了靶板的整體能量消耗。此外，從復合板芳綸纖維的小鼓包變形破壞程度看，迎彈面涂覆硬質聚脲的靶板提高了結構抗破片侵徹能力，而涂覆軟質聚脲的靶板（圖7）由于軟質聚脲強度較小，其迎彈面抗破片侵徹能力極低，未對破片沖擊動能起到較大的緩沖抑制作用，產生的破口相比硬質聚脲涂覆的靶板要小，導致靶板的彈道極限速度和極限比吸收能相比硬質聚脲降低了約8.2%和16.9%。

2）當背彈面涂覆硬質聚脲時，在破片沖擊產生的應力波作用下，聚脲涂層會優(yōu)先在復合板層發(fā)生破壞。玻璃纖維面入彈口處產生的破壞形貌與無涂覆的板結構類似，破口大小也一致，而背彈面聚脲涂層的破壞形貌較明顯，涂層發(fā)生了大面積脫落，呈現(xiàn)出不規(guī)則的圓形，且大小約為立方體破片尺寸的7～8倍。此外，從背部芳綸纖維的變形來看，產生的鼓包和纖維絲抽拔尺寸均小于無涂覆的板結構。

可見，在背彈面涂覆硬質聚脲的情況下，由于硬質聚脲的斷裂伸長率有限，明顯限制了芳綸纖維依靠其較強的拉伸性能而形成分層和大鼓包的現(xiàn)象，從而降低了芳綸纖維通過分層及纖維絲抽拔等消耗破片沖擊能的作用。由相關圖可見，背彈面芳綸纖維出彈口鼓包等變形明顯小于迎彈面，這影響了芳綸纖維對沖擊動能的消耗，導致大量沖擊能量作用于背面的硬質聚脲涂層，使涂層出現(xiàn)了大面積脫落。從背彈面涂層產生的宏觀破壞形貌來看，涂層裂紋明顯多于迎彈面，這也解釋了背彈面和迎彈面相比出現(xiàn)大面積涂層脫落的原因。而對于涂覆軟質聚脲的復合板，由于涂層斷裂伸長率高、拉伸破壞變形大，對背彈面芳綸纖維的限制較小，故相對于硬質聚脲復合板的彈道極限速度、極限比吸收能分別提高了約2.8%和5.6%。

3）雙面涂覆硬質聚脲的復合板，在宏觀破壞形貌上兼有迎彈面及背彈面涂覆情況下的破壞特征，但破壞尺寸相對變大，背面聚脲涂層脫落尺寸約為破片的8～10倍，且背面的纖維破壞形貌在所有涂覆結構中最小，耗能作用的發(fā)揮也最不徹底。

5 結 論

本文對以不同方式涂覆硬質聚脲的玻璃纖維—芳綸復合板進行了抗沖擊性能試驗。通過分析，得到如下主要結論：

1）聚脲涂覆的玻璃纖維—芳綸復合板結構彈道極限速度及極限比吸收能與涂覆的聚脲材質有很大關系。

2）迎彈面涂覆硬質聚脲涂層可以顯著提高復合板結構的彈道極限速度、極限比吸收能，且憑借其自身的高硬度等特性，通過發(fā)生大面積脆性脫落來吸收消耗破片的沖擊動能，從而提高結構抗沖擊性能；而軟質聚脲由于強度小，斷裂伸長率高，在迎彈面涂覆不利于消耗破片的沖擊動能，對結構抗沖擊性能提高較小。

3）對于在背彈面涂覆硬質聚脲涂層，由于其斷裂伸長率較小、硬度高，限制了玻璃纖維—芳綸復合板的鼓包變形耗能，從而降低了復合板的彈道極限速度和極限比吸收能，不利于提升復合板的抗沖擊性能；而在背彈面涂覆軟質聚脲可以使玻璃纖維—芳綸復合板結構對破片沖擊動能的緩沖消耗作用得到充分發(fā)揮，且自身也能通過高斷裂伸長率緩沖攔截破片的沖擊，有效提高了復合板結構的抗沖擊性能。