聚脲涂覆鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆效應(yīng)

王 琪，賈子健，趙鵬鐸，王志軍，張 鵬,，徐豫新

（1. 海軍研究院，北京 100161；2. 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202；3. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；4. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；5. 北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120；6. 北京理工大學(xué)高能量密度材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

在軍事工程領(lǐng)域，戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波及破片等毀傷元嚴(yán)重影響艦船等結(jié)構(gòu)體的使用壽命，提高結(jié)構(gòu)體的防護(hù)能力已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。聚脲材料具有質(zhì)量輕、斷裂伸長率高且能夠充分吸收爆炸沖擊波能量等特點(diǎn)，不僅可以較好地抵御破片侵徹，而且可以在一定程度上緩沖吸收爆炸沖擊波[1]。美國海軍研究發(fā)現(xiàn)，軍用車輛底盤噴涂聚脲涂層之后，可以在很大程度上減少地雷等爆炸物對(duì)車輛底盤及人員的毀傷[2]。王殿璽等[3]研究了爆心距、炸藥質(zhì)量、涂層厚度等對(duì)鋼板變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鋼板中心最大位移隨爆心距的增加近似呈指數(shù)遞減趨勢(shì)；當(dāng)改變炸藥質(zhì)量時(shí)，鋼板中心最大位移隨炸藥質(zhì)量的增加近似呈線性遞增趨勢(shì)；當(dāng)改變聚脲涂層厚度時(shí)，鋼板中心最大位移隨涂層厚度的增加近似呈線性遞減趨勢(shì)。高照等[4]利用球形彈丸對(duì)涂覆聚脲涂層的鋼板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈道沖擊試驗(yàn)，研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能，發(fā)現(xiàn)前面涂覆聚脲涂層可以提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈道極限，背面涂覆聚脲涂層可形成質(zhì)量塊吸能。甘云丹等[5]通過數(shù)值模擬方法研究了涂覆聚脲涂層后的復(fù)合結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷加載下的抗爆能力，發(fā)現(xiàn)涂覆聚脲的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆能力提升約20%。Amini 等[6]通過分析單位厚度的破壞能量后得出，在鋼板背面涂覆聚脲時(shí)可以較明顯地提高鋼板的抗爆性能。Rotariu 等[7]、Wang 等[8]也研究發(fā)現(xiàn)，聚脲材料能夠顯著提高鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，證明該材料在防護(hù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。王小偉等[9]研究了聚脲彈性體夾層結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在厚度及質(zhì)量分別保持一定的條件下，給出了該復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)中鋼板厚度與聚脲層厚度的最佳比值。

目前國內(nèi)外對(duì)聚脲防護(hù)性能的研究主要集中在防護(hù)效果上，對(duì)聚脲涂層提高結(jié)構(gòu)體防護(hù)作用機(jī)理研究尚少。本研究針對(duì)涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)，按照外爆載荷加載單板結(jié)構(gòu)的思路開展試驗(yàn)，通過對(duì)比爆炸載荷作用下復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形失效情況，并結(jié)合涂層的微觀分析，探究聚脲涂層提高復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

采用定量TNT 藥柱對(duì)等面密度、等鋼板厚度兩組靶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸載荷加載。Q235 鋼板為聚脲涂覆的底材，其尺寸為400 mm × 400 mm ×H，H為鋼板厚度，分別為1.2、1.5 和2.0 mm，邊界通過螺栓進(jìn)行約束，約束后鋼板的實(shí)際受載面積為250 mm × 250 mm，具體尺寸及實(shí)物如圖1 和圖2所示。在噴涂聚脲涂層之前，需對(duì)Q235 鋼板進(jìn)行清潔噴砂處理，并噴涂專用底漆以增大防護(hù)涂層和鋼板之間的附著力[10]。試驗(yàn)中所采用聚脲材料的密度為1.02 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為35 MPa，撕裂強(qiáng)度為135 kN/m，斷裂伸長率為300%。

圖1 靶板結(jié)構(gòu)尺寸Fig. 1 Dimensions of target plate

圖2 靶板實(shí)物Fig. 2 Target board

1.2 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工裝布置如圖3 所示，將圓柱形TNT 藥柱安裝在靶板中心上方50 mm 處，試驗(yàn)藥量分別為40 和60 g，TNT 藥柱尺寸分別為 ?30 mm × 36 mm、 ?30 mm × 54 mm，按表1 所示試驗(yàn)工況開展試驗(yàn)。對(duì)于Shot 01～Shot 03，在等面密度條件下，分析涂覆在鋼板迎爆面時(shí)，聚脲涂層的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響；對(duì)于Shot 04～Shot 06，在等鋼板厚度條件下，分析聚脲涂層作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的迎爆面和背爆面時(shí)，不同結(jié)構(gòu)抗爆性能的優(yōu)劣。

圖3 試驗(yàn)工裝布置Fig. 3 Test tooling arrangement

表1 靜爆試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 聚脲涂層抗爆作用機(jī)理

2.1 彌散效應(yīng)

在工程防護(hù)領(lǐng)域，涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)在爆轟波加載作用下會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的大面積失效變形，該響應(yīng)過程具有顯著的非線性特征[11]。當(dāng)涂覆聚脲涂層的靶板材料的屈服強(qiáng)度低于爆炸沖擊波強(qiáng)度時(shí)，靶板材料在一定程度上會(huì)發(fā)生塑性變形，同時(shí)沖擊波轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄詰?yīng)力波在靶板材料內(nèi)部傳播加載，此時(shí)彈塑性應(yīng)力波波速取決于所作用材料的密度和切線模量，表達(dá)式為

式中： ρ0為所作用材料的密度；d σ /d ε為所作用材料的切線模量，該切線模量與聚脲防護(hù)涂層對(duì)能量的彌散效應(yīng)密切相關(guān)。

由聚脲材料的力學(xué)性能研究可知：在塑性變形段內(nèi)，聚脲材料的切線模量在動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試中隨著應(yīng)變的增大而逐漸降低，與準(zhǔn)靜態(tài)測試相反，表現(xiàn)出一定的“遞減硬化”特性，如圖4 和圖5 所示。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)測試時(shí)聚脲材料切線模量的變化趨勢(shì)Fig. 4 Trend of tangent modulus of polyurea materials under quasi-static tests

自由場靜爆試驗(yàn)屬于高應(yīng)變率加載試驗(yàn)，因此對(duì)聚脲涂覆鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的分析主要以動(dòng)態(tài)測試結(jié)果為主。由圖4 和圖5 可以看出：在動(dòng)態(tài)載荷作用下，聚脲材料的切線模量呈現(xiàn)出“遞減硬化”特性，隨著加載應(yīng)力的不斷增大，塑性應(yīng)力波波速逐漸降低。該現(xiàn)象表明應(yīng)力波在高幅值加載擾動(dòng)下的傳播速度明顯低于低幅值加載擾動(dòng)。因此加載應(yīng)力波剖面在傳播過程中逐漸變得平坦，形成應(yīng)力波的彌散現(xiàn)象，即本構(gòu)彌散，意味著塑性應(yīng)力波在傳播過程中自身能量逐漸降低。當(dāng)加載應(yīng)力波作用于材料界面時(shí)，原先較為陡峭的加載波陣面會(huì)在連續(xù)的彈性卸載應(yīng)力波作用下出現(xiàn)多個(gè)階梯，最終的應(yīng)力時(shí)程變化曲線較明顯地顯示出波形彌散現(xiàn)象，即界面彌散。相較于材料的本構(gòu)彌散，界面彌散效應(yīng)更強(qiáng)、更明顯，并且當(dāng)界面處介質(zhì)的波阻抗差值越大時(shí)，應(yīng)力波彌散效應(yīng)越顯著，同時(shí)也意味著對(duì)應(yīng)力波能量吸收的效果越好[12]。

圖5 動(dòng)態(tài)測試時(shí)聚脲材料切線模量的變化趨勢(shì)Fig. 5 Trend of tangent modulus of polyurea materials under dynamic tests

2.2 熱軟化效應(yīng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 等面密度試驗(yàn)結(jié)果分析

在40 g TNT 載荷加載下，3 種復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形失效情況如圖6 所示。由圖6 可知 ，無涂覆鋼板與迎彈面涂覆4 mm 聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)均發(fā)生了大鼓包變形，撓度分別為41 和43 mm，其中涂覆聚脲的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的鼓包變形處產(chǎn)生了一條長度約20 mm 的裂縫，如圖6(b)所示，說明該靶板結(jié)構(gòu)已處于臨界破壞狀態(tài)；涂覆6 mm 聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)生近似圓形花瓣型開裂破壞，破口直徑約為80 mm，如圖6(c)所示。

兩種靶板表面的聚脲涂層均發(fā)生了直徑約為100 mm 的圓形試樣剪切脫落。這是因?yàn)椋簣A柱形TNT 炸藥起爆后，形成一個(gè)半球形的爆炸沖擊波，并向靶板傳播加載；當(dāng)作用到聚脲涂層表面時(shí)，在面板內(nèi)部形成如圖7 所示的剪切應(yīng)力波，接觸區(qū)范圍內(nèi)的目標(biāo)靶板迅速進(jìn)入塑性狀態(tài)；隨著爆轟波壓力的增大，板內(nèi)剪切應(yīng)力波迅速上升，板內(nèi)剪切應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展，形成完整的剪切波陣面在板內(nèi)傳播[13-14]，最終導(dǎo)致試樣脫落。

綜合對(duì)比3 種靶板結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著迎爆面涂覆聚脲涂層厚度的增加，底材鋼板的變形破壞程度逐漸增大，說明在等面密度條件下，迎爆面涂覆聚脲涂層降低了靶板結(jié)構(gòu)的抗爆性能，且破壞程度隨著聚脲涂層厚度的增加而增大。

圖6 靶板變形及破壞情況Fig. 6 Deformation and failure of targets

圖7 球形沖擊波載荷Fig. 7 Spherical shock wave loading

3.2 等鋼板厚度試驗(yàn)結(jié)果分析

基于3.1 節(jié)的等面密度試驗(yàn)，研究在鋼板厚度相同的條件下，聚脲涂層涂覆位置對(duì)鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，3 種靶板結(jié)構(gòu)的變形失效如圖8 所示。

由圖8 可知，靶板表面涂覆聚脲防護(hù)涂層后可以顯著降低爆炸載荷加載下靶板結(jié)構(gòu)的破壞程度。無涂覆鋼板呈現(xiàn)出近似圓形破口，直徑約180 mm，如圖8(a)所示；迎爆面涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出橢圓形破口，如圖8(b)所示，破損長軸沿著鋼板的塑性絞線方向擴(kuò)展，破口尺寸約130 mm ×80 mm；而背爆面涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出約85 mm 的規(guī)則圓形破口，如圖8(c)所示。綜合對(duì)比可知：在鋼板厚度相同的條件下，涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞程度均小于無涂覆鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中背爆面涂覆聚脲的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)破壞程度最小，說明涂覆聚脲涂層可以顯著提高靶板結(jié)構(gòu)的抗爆性能，其中背爆面涂覆聚脲涂層對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性的提高更顯著，且破口更規(guī)則。

圖8 靶板變形及破壞情況Fig. 8 Deformation and failure of targets

基于聚脲涂層涂覆鋼板抗外爆載荷作用的結(jié)果，趙鵬鐸等[15]對(duì)聚脲涂覆箱體結(jié)構(gòu)的抗內(nèi)爆載荷性能進(jìn)行研究，采用140 g 藥量對(duì)無涂覆、迎爆面涂覆和背爆面涂覆聚脲箱體3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)爆加載試驗(yàn)，箱體變形破壞情況如圖9 所示。研究發(fā)現(xiàn)：涂覆聚脲涂層可以提高箱體結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆載荷作用下的抗爆性能，且迎爆面涂覆聚脲結(jié)構(gòu)的抗爆性能優(yōu)于背爆面涂覆結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在降低了箱體結(jié)構(gòu)的變形破壞程度。該試驗(yàn)結(jié)果與本研究中相同厚度條件下涂覆鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能試驗(yàn)結(jié)果一致，即涂覆聚脲涂層可以提高結(jié)構(gòu)的抗爆性能，其中涂覆于背爆面時(shí)的提升效果更顯著。

采集迎爆面涂覆鋼板脫落的聚脲試樣進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部局部區(qū)域發(fā)生顯著的拉伸失效變形，呈現(xiàn)出一種高溫?zé)g狀，如圖10 所示。聚脲面板產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與高應(yīng)變率加載下的應(yīng)變率效應(yīng)、絕熱升溫導(dǎo)致的熱軟化等密切相關(guān)。

圖9 箱體變形Fig. 9 Deformation and failure of boxes

圖10 聚脲試樣微觀結(jié)構(gòu)Fig. 10 Microstructure of polyurea sample

涂覆聚脲涂層的鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能之所以優(yōu)于無涂覆結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榫垭宀牧显诟邞?yīng)變率載荷下表現(xiàn)出“遞減硬化”特性，在爆轟波作用下形成了該材料特有的“本構(gòu)彌散”效應(yīng)，即在爆轟波作用初期，聚脲材料主要受到波的壓縮作用，通過壓縮變形消耗爆轟波的部分能量；隨著爆轟波能量逐漸增大，靶板復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，同時(shí)聚脲材料也沿著爆轟波傳播方向發(fā)生拉伸變形，繼續(xù)增大對(duì)爆轟波能量的消耗；另外由于聚脲涂覆復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩介質(zhì)界面處波阻抗差值較大，產(chǎn)生了比“本構(gòu)彌散”效應(yīng)更強(qiáng)、更明顯的“界面彌散”效應(yīng)，通過這兩種波的彌散效應(yīng)，促進(jìn)了聚脲涂層對(duì)爆轟波能量的吸收。

除此之外，由于聚脲材料的斷裂延伸率高，拉伸性能優(yōu)異，因而背爆面涂覆的聚脲涂層通過拉伸變形消耗爆轟波能量，同時(shí)作為鋼板的支撐面板抑制了鋼面板的變形破壞，降低了破壞程度。由圖10可以看出：在爆轟波作用下，迎爆面聚脲涂層材料發(fā)生了嚴(yán)重的熱軟化效應(yīng)，很大程度上抵消了高應(yīng)變率下聚脲材料的硬化效應(yīng)，導(dǎo)致材料性能下降，從而發(fā)生嚴(yán)重的失效破壞。對(duì)比之下，背爆面涂覆的聚脲涂層可以更強(qiáng)、更顯著地吸收爆轟波的能量，降低靶板鋼板的變形程度。綜合以上分析，背爆面涂覆聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能優(yōu)于迎爆面涂覆聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

從等面密度、等鋼板厚度兩個(gè)方面對(duì)涂覆聚脲涂層鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行了研究，分析聚脲涂層對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的防護(hù)機(jī)理，得出以下結(jié)論。

（1）等面密度條件下，聚脲涂層降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能，且隨著聚脲涂層厚度的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能逐漸降低。

（2）等鋼板厚度條件下，聚脲涂層可以提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能，其中在背爆面涂覆效果更佳。

（3）涂覆聚脲涂層的鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能與聚脲材料的本構(gòu)彌散、界面彌散以及熱軟化效應(yīng)密切相關(guān)。