防爆罐用防爆材料及其性能的研究进展

2020-10-14黄微波马明亮金浩法

上海涂料 2020年5期

李鹏，吕平，黄微波，马明亮，张锐，金浩法

（青岛理工大学，山东青岛 266033）

0 引言

防爆罐是一种可防备和减小爆炸物爆炸时对附近人员及物品造成伤害和破坏的特殊压力容器，防爆罐的研究，尤其是其防爆材料与性能的研究，对于减少公共场所炸弹袭击产生的危害具有重要的意义。目前防爆罐的防爆层一般采用特制钢板或复合夹芯结构制成，但钢板存在结构笨重，而常规复合夹芯结构存在抗爆能力相对较弱的问题。有必要对防爆罐进行轻质、可重复使用、提高抗爆性的研究。现代多功能材料具有缓冲吸能的特性，未来新型复合材料防爆罐可有效削弱爆炸物爆炸时产生的冲击波并减少二次破片等的伤害。下面主要从防爆材料的防爆性能及数值模拟等方面，综述防爆罐用防爆材料及其性能的研究进展。

1 防爆罐用防爆材料及其性能

防爆罐通常为上端开口型的圆柱体，其防爆功能主要体现在对爆炸冲击波的约束、吸收与释放方面。防爆罐的抗爆能力由其能抵御的标准TNT当量来衡量，当罐内一定当量的TNT炸药引爆后，罐体不能出现倾倒、燃烧和粉尘等现象，可以存在变形，但罐体外面板不得出现开裂、破洞等现象。我国防爆罐的研发已从早期的单一金属结构逐步发展为多种材料复合结构，复合材料能够明显提高防爆罐的防护性能、降低罐体质量。以下主要对防爆罐的常用材料、多孔材料及聚脲弹性体材料的防爆性能进行介绍。

1.1 常用材料及其性能

现有防爆罐防爆夹层主要由抗爆和阻燃材料组成，常用的抗爆材料有耐火防爆胶、纤维复合板、防爆聚肽酸酯板等。Qi Dong等［1］通过测试玻璃纤维抗爆圆筒在爆炸载荷作用下的动态响应，发现内层钢板发生屈曲导致外玻纤壳体脱层和纤维断裂，从而限制了玻纤抗爆容器的抗爆炸承载能力。其在相同的爆炸荷载作用下对碳纤维抗爆圆筒进行了测试，发现其承载能力要优于玻璃纤维抗爆圆筒［2］。王立军等［3］通过准静态压缩聚氨酯发泡塑料和落锤冲击试验，分析了聚氨酯在中低应变率下的力学性能和能量吸收性能，发现随着初始应变率的增加，材料的应力和能量吸收明显增大，应变为0.4时的动态应力比静态应力最大增加了114.49%，所吸收的能量最大增加了65.74%。刘佳等［4］通过对平面爆炸波在其中传播时的衰减特性进行研究，发现硬质聚氨酯泡沫作为分配层材料时能大大吸收爆炸产生的冲击波，且聚氨酯泡沫厚度为5 cm时，能量吸收效率最优。

1.2 多孔材料及其性能

多孔材料常为轻质、疏松材料，其强度高、抗疲劳性能好，且具有优异的抗冲击吸能特性及减震降噪性能。常用的多孔材料有泡沫金属、蜂窝复合材料等。如图1所示，多孔材料准静态压缩应力-应变曲线分为弹性段、屈服段和致密段，应力平台较长［5］，金属和许多聚合物等弹塑性多孔结构体的孔壁弯曲达到完全的塑性矩时，会发生塑性坍塌，且在塑性坍塌应力处出现平台，此时产生的应力为平台应力，在此阶段能够吸收大量能量。

图1 多孔材料准静态压缩应力-应变曲线图Figure 1 Porous material quasi-static compression stress-strain curve diagram

近年来泡沫金属材料因其轻质、高能量吸收特性而被越来越多地用于吸收爆炸和冲击能量。人们发现，在填充泡沫金属后，防爆罐的吸能能力明显提高。刘新让等［6］通过TNT爆炸试验表明，新型填充泡沫铝结构的防爆罐（图2）与传统的多层复合防爆罐相比，罐体径向变形更小，且冲击波在泡沫铝填充结构中的传播有较明显的衰减，因此其对爆炸冲击的能量吸收性能远优于传统防爆罐。泡沫铝结构冲击波阻抗较低，能够明显削减应力波的强度。在此过程中，爆炸冲击能量减小，复合抗爆结构的抗力较单层结构有显著提升，“硬-软-硬”的复合抗爆结构形式较为合理［7］。罐体外面板起到了约束整个结构的作用，外面板厚度较小时，泡沫铝夹心不能最大化地压缩吸能，导致罐体外面板径向变形过大，外面板过厚，则会使罐体整体质量增大。内面板需薄于外面板，在外面板的约束下内面板充分压缩泡沫铝，才能发挥其能量吸收效果［6］。防爆罐通过内面板和夹芯结构的变形及破坏吸收爆炸产生的动能和内能，通过外层钢板约束冲击能量，最后上端开口释放剩余爆炸能量减小破坏。

图2 新型防爆罐试验示意图Figure 2 New explosion-proof tank test schematic

Y.H. Wang等［8］在准静态侧向压缩载荷下对含有泡沫铝的两根不同直径的同心铝管，采用响应面法进行多目标优化，研究发现，内层直径最小、泡沫厚度最大的夹层管更适合用作吸能元件。C.Qi等［9］研究了泡沫铝芯夹层板（AFSP）的抗爆破性能，发现低刚度的前表面具有较大的泡沫芯压缩和吸能能力，而高刚度的后表面适合于减小AFSP的挠度。

蜂窝结构具有良好的吸能特性，不同结构的蜂窝在爆炸荷载下的变形特性和吸能原理不同［10］。蜂窝复合结构示意图见图3，蜂窝横向放置和纵向放置结构的吸能大小有所不同。朱易等［11］运用数值仿真发现，夹层为纵向放置的蜂窝复合靶板整体变形较小，而横向放置的变形最大，其吸能能力也最强。戴平仁等［12］发现，不同涂覆方式的聚脲蜂窝靶板均能抑制靶板产生二次破片，在爆炸载荷作用下，蜂窝内腔填充聚脲时，靶板的背面板变形良好且结构完整，抗爆能力最佳。顾文彬等［13］建立了多种梯度密度排列的多层泡沫铝爆炸加载模型，结果显示，底板主要以横向变形为主，其中密度递减结构的横向挠度最小且其吸能量最大。

图3 蜂窝复合结构Figure 3 Honeycomb composite structure

多孔材料具有吸收和缓冲冲击能量的特点，单层多孔材料强度较低，已经不能满足现有的抗爆要求，未来新型防爆结构将以多层复合抗爆材料为主要趋势。

1.3 聚脲弹性体材料及其性能

我国黄微波等［14］在1995年率先对喷涂聚脲弹性体技术进行了研究与开发，并将研发产品成功应用于众多商业领域。聚脲为一种改性聚合物，具有易使用、固化快、附着力强和力学性能优异等特点，被广泛关注与应用［15-16］。聚脲涂层一般是由聚脲弹性体组成的超弹性材料，将其涂覆于基材，如钢材和混凝土等表面可以明显提高结构的抗爆防护性能。

McShane等［17］研究发现，将聚脲弹性体涂覆于军车的底部，可明显减弱地面爆炸物产生的冲击破坏，确保车内人员的安全。Junguo Wang等［18］发现，聚脲涂层能够有效提高墙体在冲击荷载作用下的抗爆性能和抗折性能，保护墙壁结构的完整性，防止建筑物内人员受到爆炸破片的伤害。Damith Mohotti等［19］通过试验和有限元模拟研究了高速弹丸在铝-聚脲复合层板体系中的侵彻问题，建立了不同复合材料系统的弹道极限曲线，发现聚脲可明显降低弹丸剩余速度，为今后装甲工业等应用提供参考。

F.Tchantchou等［20］在铝制平台上放置成年鼠，在平台底部相同的爆炸荷载下，试验中67%的成年鼠立即死亡；而在铝制平台上涂覆聚脲弹性体材料后，试验中的成年鼠全部存活，通过该试验结果可推测，聚脲弹性体的应用有助于未来防爆车辆的发展。翟文［21］等通过研究多种工况下聚脲喷涂钢板结构靶板的抗爆性能发现，聚脲填充钢板夹层不仅可抑制裂纹和破片产生，防护能力较好，而且在靶板发生剪切破坏时能够有效地抑制靶板的扩孔，提高了整体的抗爆能力。Erin Gauch等［22］通过试验和数值模拟聚脲涂层复合圆筒的近场水下爆炸响应发现，聚脲涂层复合材料能有效减少圆筒的损伤，且随着涂层厚度的增加，材料的内能和总应变都有增加的趋势。

戴平仁等［23］发现，聚脲三明治夹层结构对靶板抵抗变形、吸能能力，以及对爆炸冲击波的衰减能力均有提高，并且随着聚脲夹层厚度的增加，其对冲击波的衰减能力增加明显。当聚脲弹性体夹层厚度增加至30 mm时，因爆炸载荷产生的位移与背部压力分别降低29.9%与97.2%。Tekalur S A等［24］发现，三明治夹层结构中的夹层含有软材料时，抗爆性能达到最佳。王小伟等［25］应用有限元软件模拟试验发现，当复合夹层结构总厚度不变，钢板与聚脲弹性体夹层厚度比为1.4∶1.2∶1.4时，结构变形的整体性和能量吸收效果最好；在质量固定的条件下，当钢板与聚脲弹性体夹层厚度比为0.903∶3.5∶0.903时，结构的综合抗爆性能最优。

Amini等［26］研究发现，钢板表面喷涂聚脲涂层可提高能量吸收性能；黄阳洋等［27］进一步发现，复合结构背面涂覆聚脲弹性体时，结构的抗爆效率提高。A. Samiee等［28］通过数值模拟对钢与聚脲复合结构在爆炸冲击荷载下涂层厚度、涂覆方式以及爆炸传播方式的影响进行了研究，试验结果表明，复合结构的抗爆炸变形能力最优，且聚脲涂层越厚越明显。Gauch.E等［29］研究了近场水下炸药载荷下复合圆筒的动态响应，不仅通过试验比较了瞬态变形和爆炸后破损，还通过数值模拟，确定了能量变化和材料应变，结果发现，聚脲涂层的应用可以有效减少圆筒的损伤。Shi.S等［30］研究发现，聚脲涂层在接触爆炸试验中结构会产生爆炸穿孔，在覆盖爆炸碎片和减少结构局部损伤方面存在隐患。为了增强涂层的力学性能，加入了编织玻璃纤维网，试验结果表明，纤维能使聚脲涂层的失效模式从剪切冲孔失效转变为拉伸失效，有效提高了聚脲涂层的载荷传递、完整性和抗断裂能力。

通过研究聚脲涂层的失效模式、爆炸碎片分布和损伤程度，结果表明，相较于传统的防爆材料，聚脲涂层具有优异的附着力和延展性，能有效包裹爆炸碎片、防止二次破片对周围人员及财产的伤害，将会成为现有防护防爆结构强化技术的替代之选。

2 数值模拟研究

ANSYS/LS-DYNA程序可以较为准确地模拟压力容器结构在爆炸冲击波作用下的弹塑性行为，为了解材料和结构相互作用关系提供详细信息。通过该程序能够模拟容器动态应变响应的基本特征，由于受到爆炸冲击波和结构的相互作用的影响，使得实际波形和模拟波形存在一定误差，这有待于今后对材料本构及自身参数进一步进行研究和完善。

随着数值模拟方法的不断成熟和模拟参数的逐步修正，模拟结果的可靠性也在提高。众多学者应用有限元程序研究爆炸容器的动力学响应，如柏劲松等［31］采用Euler型的Lagrange方法处理椭球封头和类球形爆炸容器结构材料间的接触界面，通过虚拟流体方法（Ghost Fluid Method，GFM）避免了纯拉格朗日算法中存在的滑移接触问题。顾文彬等［32］定量分析了防爆罐内各结构间在爆炸荷载下的爆炸产物、气体的能量转化与吸收，结果表明，泡沫铝夹层可以较好地以卸载动能和透射应力波等方式吸收、缓冲内层钢板所获得的爆炸冲击能量。

宋彬等［33］对无夹层、橡胶夹层和聚脲夹层3种防爆罐在内爆炸载荷作用下的动态响应过程进行了分析，结果见表1。表1试验结果表明，相较于橡胶防爆罐和无夹层防爆罐，聚脲弹性体防爆罐的吸能效果较好且爆炸后外面板形变量最小，防爆性能优异。

表1 3种防爆罐能量分析Table 1 Energy analysis of three explosion-proof tanks

钟冬望等［34］采用数值模拟椭圆封头的圆柱形爆炸容器在不同TNT当量炸药爆炸时的动态响应，得出了不同采集点的最大主应变时程曲线、周向应变时程曲线和加速度时程曲线。Li Ma等［35］通过流体结构相互作用（Fluid Structure Interaction，FSI）模拟和裂纹分析球形容器爆炸破坏的尺度效应，揭示了容器断裂和破碎的原因以及破坏电荷的尺度规律，这有助于防止容器进一步发生灾难性脆性和准脆性破坏。Li Linna等［36］对不同爆炸载荷下的椭圆端盖圆柱防爆容器进行了水下爆炸试验，确定了充水爆炸安全壳的承载能力和破坏模式，并在此基础上提出了充水爆炸安全壳的优化设计理论。孙琦等［37］将理论计算结果与数值模拟结果进行了对比验证，不仅考虑到了球形容器内爆炸载荷首个冲击波和准静态压力的基础问题，还与结构自身参数分析相结合，模拟结果显示与力学分析较为吻合，可靠性较高。

除了对防爆材料进行爆炸试验和防爆理论研究外，还需进一步通过数值模拟试验来探索防爆机理，为其他建筑防爆和军事防御工程结构设计提供理论依据。