SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验

郑盼，朱锡，李永清

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验

郑盼，朱锡，李永清

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

为研究高强聚乙烯在高温条件下使用的适用性，以及SiO2气凝胶毡和陶瓷棉的隔温性能，提出SiO2气凝胶毡/陶瓷棉与高强聚乙烯紧密贴合无间隙复合舱壁结构的方案，对结构单元进行模拟标准火源的耐火试验研究，分析耐火材料的失效模式以及不同耐火材料厚度对夹芯结构的影响规律，探讨复合结构舱壁在满足耐火要求的前提下面密度和结构整体厚度的实用性。试验结果表明：适当厚度的SiO2气凝胶毡和陶瓷棉均具有较好的耐火隔温性能，适当增加隔温层厚度能明显提高复合舱壁结构的热防护效果；达到相同隔温效果所需要的SiO2气凝胶毡比陶瓷棉薄，就面密度和结构整体厚度而言，SiO2气凝胶毡更有优势；在带陶瓷的夹芯结构中，陶瓷也能起到一定的隔温作用，综合优化此复合舱壁结构能有效提高舰船舱壁的防护性能。

耐火材料；抗弹；SiO2气凝胶毡；高强聚乙烯

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1336.018.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：郑盼，朱锡，李永清.SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验［J］.中国舰船研究，2016，11（5）：78-83，99.

ZHENG Pan，ZHU Xi，LI Yongqing.Experiment on the thermal insulation performance of multi-layer composite ballistic structures by silicate aero-gel/ceramic/high-strength polyethylene［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：78-83，99.

0　引言

现代海战中，半穿甲导弹通过设置延时引信，可使战斗部穿透船体外板后在舱室内部起爆，爆炸产生的冲击波和高速破片会对舰船结构和人员构成严重威胁。而聚乙烯纤维复合材料作为新型复合材料，具有重量轻、抗弹性能优异等特点［1-2］，孙晓明等［3-8］对高强聚乙烯夹芯结构的复合抗爆舱壁进行了近距空爆下变形破坏模式的试验研究，结果表明，高强聚乙烯具有很好的抗穿甲性能和吸能性能，适当增加复合抗爆舱壁夹芯层厚度和质量有利于其整体抗弹性能的提高。

然而，高强聚乙烯受温度的影响明显，其在环境层温度达到150℃后会逐渐软化，持续高温会使其脱层皱缩烧蚀，从而降低抗弹性能。陶瓷棉和SiO2气凝胶毡均具有良好的耐火性能［9］。王超等［10］对陶瓷棉硅酸铝纤维在高温环境下的隔热性能进行了研究，结果表明，当采用陶瓷棉硅酸铝纤维高温隔热时，在极短的时间内就可以达到温度平衡，其不仅具有低热导率，同时还具有一定的抗辐射能力；谭大力等［11］针对SiC陶瓷和SiO2气凝胶毡组合结构的隔热性能研究表明，SiC陶瓷和SiO2气凝胶毡组合结构具有很好的隔热性能，综合利用该组合结构能有效保护金属背衬结构。随着现代舰船向轻量化方向的发展，用低质量、高强度的聚乙烯板代替厚重的船用装甲，在达到相同防护效果的同时，对减小舱壁结构的整体面密度具有重要意义。

基于上述分析，为探讨复合舱壁在不同耐火材料组合下对高强聚乙烯保护的影响，本文拟以陶瓷棉/SiO2气凝胶毡为隔温层，陶瓷片和高强聚乙烯板为抗弹层，船用钢为前/后面板，制作复合舱壁结构的局部模型，参照A60标准的试验条件对模型进行耐火试验研究，并分析耐火层的失效模式以及耐火层厚度变化对夹芯结构温升变化的影响规律。

1　试验设计

1.1试验火源

按照A60标准，在设定的时间下，炉温的升温曲线应是由下列各温度点所连接的一条光滑曲线［12］：自室温20℃开始，5 min时576℃，10 min时678℃，15 min时739℃，30 min时842℃，60 min时945℃。在本研究中，通过优化选择电炉功率大小并进行测试试验，最终确定了试验火源。图1所示为实测试验炉温与标准火源的温度曲线。由图可知，在试验过程中所使用的火源温度比标准火源高50～100℃，试验条件较标准耐火试验更高。

图1　试验火源温度曲线Fig.1Temperature curves of researching fire

1.2试验方法

参照GJB 4000-2000《舰船通用规范》中A级防火等级要求［9］开展试验。采用钢板（5 mm）+隔温层+防弹层+隔温层+钢板（10 mm）的1∶1局部防火夹芯复合装甲结构单元开展耐火性能试验。在试验过程中，火源置于夹芯复合装甲结构一侧，采用热电偶测试记录夹芯防护结构表面、内部的温升历程，试验布置方式如图2（a）所示。在试验过程中，火源置于夹芯结构底部，如图2（b）所示。

图2　耐火性能试验示意图Fig.2Schematic of thermal-resistance research

1.3试验材料及试样制备

夹芯式复合舱壁结构耐火试验选取的试验用材料如下：

1）船用钢板：单块厚度5/10 mm，平面尺寸400 mm×400 mm。

2）SiO2气凝胶毡：单块厚度10 mm，平面尺寸400 mm×400 mm，质量约450 g，材料由上海三亦机电设备有限公司提供。

3）陶瓷棉：单块厚度20/50 mm，平面尺寸400 mm×400 mm，质量约为500/1 320 g，材料由浙江浦森耐火材料有限公司提供。

4）SiC陶瓷片：单块厚度10 mm，平面尺寸100 mm×100 mm，质量314.6 g，材料由上海衡益特陶新材料有限公司提供。

上述材料的热物理性能如表1所示。

表1　试验材料的热物理性能Tab.1Thermal physical properties of experiment material

5）高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板（简称“高强聚乙烯层合板”，UFRP）：单块面密度30 kg/m2，重量约2 700 g，平面尺寸300 mm×300 mm，满足复合材料靶板弹道性能试验的最小尺寸要求（200 mm×200 mm），材料由上海斯瑞科技有限公司提供，其物理性能如表2所示。

表2　高强聚乙烯的物理性能Tab.2Physical properties of high strength polyethylene

1.4试验方案

为分析气凝胶毡和陶瓷棉在厚度方向其防火隔温性能对高强聚乙烯纤维复合材料的影响，采用均一设计方法［13］设计了6组试验方案，如表3所示。

2　试验结果与分析

2.1单元结构温度分布分析

在试验过程中，火源采用1.1节的试验设计火源，火源温度如图1所示。实时记录了夹芯结构各层温度随时间的变化值，图3所示为表3中6种不同试验方案各层温度随时间的变化值，表4为试验结果对比情况。

表3　隔温层厚度测定的试验设计方案Tab.3The experimental scheme of insulating layer thickness measurement

图3　各层温度随时间变化值Fig.3Time histories of temperature on each layer

表4　试验结果对比Tab.4Comparison of experiment results

由图3可以看到，钢板表面温度刚开始是呈线性增长，温度上升到一定值后增长开始变缓，至试验结束时温度达到最大值。这是因为火炉刚开始加热时，火炉产生的热量直接辐射到钢板上，而钢板上的热量还来不及向舱壁周围以及厚度方向传递，待一段时间后，钢板面上的热量逐渐向隔温层方向传递，隔温层的温度逐渐升高，直到最后，火炉向钢板面输入的热量和钢板面向隔温层输出的热量达到近似平衡的状态。方案1～方案3的单侧隔热层厚度是分别为20，30，20 mm的SiO2气凝胶毡，从温度曲线图中可以看到温度梯度变化的规律，即靠近火源侧的温度梯度较大，向背火一侧依次减小，说明气凝胶毡材料在高温条件下发生了变化，气凝胶毡近火一侧的导热系数较远火一侧变大了，这与文献［14］中气凝胶毡导热系数在一定温度范围内会随温度升高而增大的研究结果一致，所以，只要在原来厚度的基础上增加小量的厚度，隔温效果就会显著提高，方案1和方案2的试验结果验证了这一点。比较方案1和方案3（隔温层都是20 mm的气凝胶毡）：方案1的抗弹层为60 mm的高强聚乙烯，方案3的抗弹层为10 mm的陶瓷和30 mm的高强聚乙烯，从方案1和方案3的试验结果温度曲线图上可以看到，陶瓷片具有一定的隔温性能，其原因是陶瓷片的比热较大，陶瓷片升温需要吸收一定量的热量，加之陶瓷的导热系数较隔温材料大，在升温的过程中可及时将热量传递开来。方案4～方案6的隔热层是分别为40，50，50 mm的陶瓷棉，其中方案5、方案6为50 mm的整块陶瓷棉，方案4的为2个20 mm陶瓷棉的叠加。从温度曲线图（图1～图3）上可以观察到，其与气凝胶毡作隔温层时在厚度方向上有同样的温度梯度变化规律，但其试验结果温度为193.2℃，未能满足A60标准实验的要求。方案5、方案6的试验结果温度分别为101，93.1℃，均能满足A60标准实验的要求。

由表4的试验结果对比可知，陶瓷棉和SiO2气凝胶毡均有较好的热防护性能，且增加热防护层的厚度能够显著增加舰船舱壁的热防护效果，然而考虑到容重和空间利用率等因素，要达到相同的热防护效果所需要的陶瓷棉较SiO2气凝胶毡厚，不利于提高舰船舱室空间利用率这一理念，且使用由陶瓷棉组成的夹芯结构达到相同热防护效果其面密度较大，也不利于舰船轻量化的设计理念。

2.2防护芯层受损分析

图4所示为试验结束后高强聚乙烯迎火面的变化情况。由图4（a）和图4（d）可看出，聚乙烯板表面层被烧蚀皱缩，而其他4组聚乙烯板则未受到影响，这与表4试验结果中1，4组高强聚乙烯表面温度分别为201和193.2℃（超过了150℃），聚乙烯表面会受到不同程度的破坏这一结果是一致的。因聚乙烯板对应于火炉中心的温度最高，所以中心区域首先开始熔融并逐渐向周围散开，形成一个圆形的扩散面。高分子量聚乙烯为可燃的有机物，由图4（a）可以看到，熔融皱缩的聚乙烯少部分被碳化了。

图4　高强聚乙烯迎火面变化情况Fig.4Change of high strength polyethylene on the fire surface

2.3隔温层失效分析

表5　耐火材料变化情况Tab.5Change of refractory material

表5为以上6种舱壁结构试验后耐火层的变化情况。从第1，2，3组中以气凝胶毡作隔温层的试验结果可以看出，迎火面的气凝胶毡表面均被烧变黑，甚至出现了一些孔洞，这是因为气凝胶毡表面有一层很薄的铝箔，铝箔的熔点约为600℃，当气凝胶毡迎火面一侧的温度达到600℃左右时铝箔就会被熔化，且持续的高温使得迎火面的气凝胶毡纳米空隙被破坏，二次堆积颗粒逐渐增大，这与文献［15］中研究的情况一致；背火面的气凝胶毡没有太明显的变化，从第1，3组气凝胶毡背火面的颜色变深可知，其显然是受到了高温的影响，而第2组气凝胶毡的背火面无明显变化则说明气凝胶毡的厚度对夹芯结构的热防护影响很大。第4，5，6组分别为40，50，50 mm陶瓷棉在不同夹芯结构形式下的试验结果。从第5，6两组图中可以看到，其陶瓷棉迎火面和背火面的变化情况基本一致，迎火面的纤维被烧化脱落，表层的陶瓷棉也明显碳化，而背火面却无明显变化；与第5，6组图相比，在第4组图中，陶瓷棉的迎火面发生了同样的变化，但背火面却有明显被高温侵袭的痕迹，这与图4（d）中聚乙烯板被烧蚀的情况符合，说明40 mm陶瓷棉不能达到防火标准的要求，而50 mm陶瓷棉则满足需要。

2.4防护结构形式对防火性能影响的分析

从试验结果来看，陶瓷棉和SiO2气凝胶毡均具有较好的热防护性能，适当厚度的陶瓷棉和SiO2气凝胶毡均能达到A60防火标准的要求。从第1，2组和第4，5组的试验结果来看，当增加隔温层厚度时，能显著提高复合舱壁的耐火隔温性能，这是由隔温材料高的热稳定性所决定的；从第1，3组和第5，6组的试验结果对比可以看出，采用陶瓷片和聚乙烯板复合的抗弹层比采用纯聚乙烯板作抗弹层的防火性能好，因为陶瓷片具有一定的吸热和分散热量的性能，虽然采用带陶瓷片作抗弹层舱壁面密度较大，但是降低了复合舱壁的厚度，可节约舱室空间；从第1，2，3组与第4，5，6组的试验结果对比可以看出，要达到相同的耐火标准，所需要的SiO2气凝胶毡明显比陶瓷棉薄，在相同的试验条件下，30 mmSiO2气凝胶毡明显比50 mm陶瓷棉的隔温效果好，并且厚度小，能够节约较大的舱室空间。

3　结论

1）利用陶瓷棉与气凝胶毡优良的隔热性能和聚乙烯良好的抗穿甲性能，通过组合优化，可以得到满足A60标准的SiO2气凝胶毡、陶瓷棉/高强聚乙烯多层组合防护结构。

2）达到A60耐火标准所需要的SiO2气凝胶毡明显比陶瓷棉薄，在相同的试验条件下，30 mm SiO2气凝胶毡比50 mm陶瓷棉的隔温效果更好，是最佳的一组方案。

3）陶瓷/高强聚乙烯板复合的抗弹层与纯聚乙烯板抗弹层相比，复合舱壁的防火性能好，因为陶瓷能够分散热量，引导热量向周围发散，但在本文研究的厚度范围内还不足以满足A60标准。

4）隔温层迎火面的温度梯度较大，并向背火面逐渐减小，适当增加迎火面SiO2气凝胶毡的厚度能够显著提高复合结构的耐火性能。

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Experiment on the thermal insulation performance of multi-layer composite ballistic structures by silicate aero-gel/ceramic/high-strength polyethylene

ZHENG Pan，ZHU Xi，LI Yongqing
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

In order to research the reliability of high strength polyethylene under high temperature conditions and the heat insulation properties of SiO2aero-gel and ceramic cotton，the SiO2aero-gel blanket/ceramic cotton with high strength polyethylene integrated structure scheme with no clearance was put forward.The standard fire test was performed on the structural unit.The failure mode of the refractory material and the influence law of refractory thickness on the sandwich structure were analyzed.The study discusses the practicality of area density and the overall thickness of the structure on the premise that the composite structure bulkheads satisfies the refractory requirements.The results show that the advisable thickness of the SiO2aero-gel blanket and ceramic cotton each have good refractory insulating performance，and the thermal protection effect of the composite bulkhead structure is obviously improved with the higher thickness of the insulating layer.To achieve the same effect，less SiO2aero-gel blanket is needed than ceramic cotton；the SiO2aero-gel blanket is superior when considering area density and whole structure thickness；and the ceramic also has a certain insulating effect when added to the sandwich structure.As such，the integrated optimization of the composite bulkhead structure can effectively improve the protective performance of marine bulkheads.

refractory material；anti-bullet；silicate aero-gel；high strength polyethylene

U668.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.012

2015-12-18网络出版时间：2016-9-21 13:36

国家自然科学基金资助项目（51179200）

郑盼，男，1990年生，硕士生。研究方向：船用材料与应用工程。E-mail：252765457@qq.com

朱锡，男，1961年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：舰船结构与材料工程研究。

E-mail：Zhuxi816@163.com

李永清（通信作者），男，1976年生，博士，讲师。研究方向：舰船新型材料及应用研究