淺談聚脲材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

溫喜梅 王寶柱 郭焱 李永崗 王偉

(青島愛爾家佳新材料股份有限公司 山東青島 266100)

常規(guī)的防腐材料主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯和乙烯基酯等,因其耐磨性、耐沖擊性、耐候性一般,且施工復(fù)雜、不環(huán)保,已不能滿足軍事領(lǐng)域防腐與防護(hù)的應(yīng)用要求。而噴涂聚脲材料與聚氨酯相比固化快,施工受環(huán)境溫濕度影響小;與環(huán)氧樹脂相比在力學(xué)性能、一次成膜厚度、柔韌性和環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢,目前已在防水、防腐及軍事防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域,由于噴涂聚脲材料比普通材料固化速度快、施工便捷、立面連續(xù)噴涂不流掛,噴涂于產(chǎn)品表面成型后短時間內(nèi)即可運(yùn)輸,不發(fā)生粘連,尤其適用于工位數(shù)目受限條件下的大批量生產(chǎn)。

聚脲材料應(yīng)用范圍廣泛,國內(nèi)外每年都會發(fā)現(xiàn)關(guān)于聚脲材料新的應(yīng)用領(lǐng)域及方向。本文重點介紹了近年來其在軍事領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用情況。

1 在水面艦艇防腐中的應(yīng)用

每年因撞擊海岸或暗礁導(dǎo)致防腐涂層破壞的艦艇或沖鋒舟不計其數(shù),海水及鹽霧的腐蝕,會使船體的損壞情況進(jìn)一步惡化。美國有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,船體的維護(hù)幾乎耗費(fèi)了整個維修過程的大半時間。因此為控制維修成本,美國海軍研究實驗室開發(fā)合成了一款快速固化的聚脲保護(hù)涂層,并已于1999年在船艦(如內(nèi)部艙室、舵板和潛艇防滑甲板)上得到了實際運(yùn)用[2]。

艦艇長期處于海洋環(huán)境中,優(yōu)異的抗暴曬性、抗附著性和耐腐蝕性是艦艇甲板漆必須具備的性能。同時,因人員會在甲板上頻繁往來走動,且有時在甲板上進(jìn)行設(shè)備或器械的裝卸,所以甲板漆必須具備優(yōu)異的抗沖擊性和耐磨性。美國海軍在其艦船甲板上使用了脂肪族聚脲涂層進(jìn)行防腐防護(hù)[3]。應(yīng)用表明,聚脲材料性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料,兼具耐磨、抗沖擊和優(yōu)異防腐蝕的特點,能改善防腐效果、延長使用壽命,且迅速固化、環(huán)保無污染。

2 在潛艇與魚雷阻尼吸聲中的應(yīng)用

應(yīng)用到潛艇、魚雷等水下潛行設(shè)備表面的阻尼吸聲聚脲材料,有減振降噪性能,可躲避聲納探測,達(dá)到隱形效果。除了材料本身應(yīng)有良好的阻尼性能,聚脲可一次成膜、成膜厚度可調(diào)且固化速度快等特點也是選材需要考慮的。另外，聚脲表面平滑,能夠減小水流帶給殼壁的脈動壓力,降低運(yùn)動設(shè)備輻射噪聲。

例如通過調(diào)整材料的彈性、伸長率和硬度等指標(biāo)制備的具有海豚表皮及皮下脂肪組織力學(xué)特性的噴涂聚脲復(fù)合柔性減阻涂層,應(yīng)用在水下運(yùn)動物體表面,在4 m/s的水流流速下,減阻作用能達(dá)到12%～15%;在3～10 m/s的水流流速下,普通柔性阻尼涂層減阻率平均為5.18%,而該復(fù)合涂層減阻率平均為6.84%,遠(yuǎn)高于普通涂層的平均水平[4]。美國仿生學(xué)家現(xiàn)已使用聚脲材料合成了可附于魚雷表面的柔性人造海豚皮涂層,在一定速度下,該涂層阻尼效果較為明顯[5]。

3 在軍用車輛防爆破中的應(yīng)用

聚脲復(fù)合材料在歐美地區(qū)已成功使用到軍用車輛(如裝甲車、坦克等)抗爆防護(hù)領(lǐng)域。美國海軍陸戰(zhàn)隊研究部門通過相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn),聚脲材料不僅具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐沖擊性及吸能性,而且具有優(yōu)良的柔韌性、彈性和耐腐蝕性,能夠有效地提高車輛底盤和車身的抗石擊和防腐能力[6-7]。

2004年美國海軍陸戰(zhàn)隊研究部門發(fā)現(xiàn),在Humvee(悍馬、快速軍車)底部噴涂聚脲彈性體涂層可有效地減小爆炸或榴霰彈對車輛和人員的傷害。為進(jìn)一步提高阻尼性能,可在B組分的制備過程中引入不同含量的酚醛樹脂進(jìn)行改性,同時通過添加具有片狀結(jié)構(gòu)的超細(xì)云母粉,使之與基體樹脂形成無數(shù)個“微觀約束阻尼結(jié)構(gòu)”,使聚脲材料具有較高的吸能性,與車輛底部復(fù)合裝甲相結(jié)合,可有效地抵御破甲射流侵徹,降低破甲型反坦克地雷爆轟波及爆炸物碎片對車輛破壞,同時可降低各種介質(zhì)的滲透速率,提高材料的防腐蝕性能[8]。將其應(yīng)用到車體內(nèi)表面或地板表面,在裝飾車輛和增強(qiáng)耐磨性能的同時,還能減小噪音和振動,增加乘車舒適度[9]。

4 在軍需用具單兵防護(hù)中的應(yīng)用

士兵在作戰(zhàn)、訓(xùn)練或解決突發(fā)事故時應(yīng)注意安全防護(hù),穿戴或配備好訓(xùn)練服、防彈衣、頭盔以及盾牌等防護(hù)用具。這些安全防護(hù)用具需要具備抗沖擊、耐高低溫、不易燃、不易破碎等特點,使其在使用過程中能夠起到包覆及防護(hù)作用,尤其是頭盔、盾牌和防彈衣。聚脲作為一種新型防護(hù)涂層,施工工藝簡單,能夠根據(jù)需要在防護(hù)用具的任意曲面噴涂成光滑平面或磨砂面,且不流掛,很好地滿足上述要求[10]。另外聚脲防護(hù)涂層無毒無害,還可根據(jù)實際需要來調(diào)整涂層顏色,達(dá)到美觀和隱蔽被噴涂目標(biāo)的效果。目前青島愛爾家佳新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚脲防護(hù)材料已被北京普凡防護(hù)科技有限公司、山東新興防護(hù)裝備制造有限公司和湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司等廣泛應(yīng)用在軍需用具的頭盔、插板及盾牌的防護(hù)上。

5 在防彈防爆方艙中的應(yīng)用

防彈防爆方艙是一類能夠廣泛使用在海陸空及武警部隊等多個領(lǐng)域的裝載體,具體應(yīng)用包括武器裝備、后勤保障、技術(shù)支持甚至通訊系統(tǒng)等等[11]。它能夠快速裝卸、便于運(yùn)輸,可以對使用人員和使用設(shè)備起到最大程度的保護(hù)作用。

現(xiàn)今方艙使用的防爆防彈材料一般是防彈玻璃、金屬板、各類復(fù)合材料(如纖維、陶瓷等)和彈性體材料。但是這些材料中很多自身都存在重要缺陷,嚴(yán)重限制了其應(yīng)用,比如鋼鐵材料密度大重量重,某些高性能合金質(zhì)輕但價格高昂等。采用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)聚脲彈性體復(fù)合防彈防爆材料,與鋼鐵金屬材料相比能夠大大減輕軍用方艙重量[12]。彈性聚合物材料對子彈的耗能減速機(jī)理是,當(dāng)子彈高速射擊而來時,彈性體會受到巨大的沖擊力,此時的應(yīng)變速率能達(dá)105s-1,彈性體材料在較高頻率下,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會升高,導(dǎo)致玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生變化,同時在這種動態(tài)力學(xué)條件下,應(yīng)力會跟不上應(yīng)變的變化,而出現(xiàn)滯后生熱,消耗大量能量,從而達(dá)到阻尼防彈的效果。

6 在軍用永久工程防護(hù)中的應(yīng)用

混凝土軍事永久工程在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中十分重要,但其在各種各樣嚴(yán)苛的使用條件下可能受到嚴(yán)重腐蝕或破壞,影響戰(zhàn)時的使用功能。而聚脲材料本身具有高強(qiáng)度、高抗沖和連續(xù)致密不滲漏的特性,其與芳綸纖維復(fù)合,應(yīng)用在軍用場合(如核電站、地下工事、隧道及洞庫等處),能很好地封閉混凝土表面的空隙,阻隔外界的腐蝕性介質(zhì),可有效遏制介質(zhì)中離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部對鋼筋造成侵蝕,使這些場合得到充分的保護(hù)，延長其使用壽命[13]。1999年,輕質(zhì)耐磨的高性能聚脲材料就被美軍材料專家使用于混凝土建筑表面,能夠有力地抵御爆炸沖擊,有效降低破片毀壞力。

噴涂聚脲材料施工速度快,可以滿足軍事工程對于戰(zhàn)時搶修和強(qiáng)建的特殊要求,噴涂快反應(yīng)型聚脲于易發(fā)生塌方、滑坡和泥石流等不穩(wěn)固地方,能夠在關(guān)鍵時刻和突發(fā)事件發(fā)生時快速修復(fù)，減少事故造成的損失。可利用聚脲涂層的抗撕裂和高彈性在坍塌事故發(fā)生時防止粉碎性破裂和濺落,保護(hù)受損墻體,避免二次傷害[14-16]。根據(jù)美國防務(wù)領(lǐng)域資料顯示,這類抗爆型建筑材料已經(jīng)在五角大樓的部分墻體上投入使用[17]。

7 結(jié)束語

目前國內(nèi)的聚脲材料技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用與國外相比還存在一定差距,普通噴涂聚脲材料無法滿足多種功能需求。例如,在防彈和防爆破領(lǐng)域需要聚脲材料具有非常高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度;在軍需庫、加油站需要聚脲材料具有優(yōu)異的阻燃性能等,因此需要對常規(guī)噴涂聚脲進(jìn)行改性研究。另外,在聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆防護(hù)應(yīng)用方面,僅研究了影響聚脲復(fù)合材料抗爆性能的因素,但各因素對抗爆的作用規(guī)律、沖擊波在聚脲材料中的衰減、聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的實際應(yīng)用設(shè)計等方面研究不成體系。這要求研究人員對聚脲材料進(jìn)行更深入的研究,提高聚脲材料的各項性能指標(biāo),拓寬其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用,為我國國防建設(shè)作出更大的貢獻(xiàn)。