聚脲涂覆钢复合结构的抗爆效应

2020-12-01贾子健赵鹏铎王志军徐豫新

高压物理学报 2020年6期

王琪，贾子健，赵鹏铎，王志军，张鹏,，徐豫新

（1. 海军研究院，北京 100161；2. 瞬态冲击技术重点实验室，北京 102202；3. 中北大学机电工程学院，山西太原 030051；4. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；5. 北京理工大学重庆创新中心，重庆 401120；6. 北京理工大学高能量密度材料教育部重点实验室，北京 100081）

在军事工程领域，战斗部爆炸产生的冲击波及破片等毁伤元严重影响舰船等结构体的使用寿命，提高结构体的防护能力已成为当前研究的热点。聚脲材料具有质量轻、断裂伸长率高且能够充分吸收爆炸冲击波能量等特点，不仅可以较好地抵御破片侵彻，而且可以在一定程度上缓冲吸收爆炸冲击波[1]。美国海军研究发现，军用车辆底盘喷涂聚脲涂层之后，可以在很大程度上减少地雷等爆炸物对车辆底盘及人员的毁伤[2]。王殿玺等[3]研究了爆心距、炸药质量、涂层厚度等对钢板变形的影响规律，发现钢板中心最大位移随爆心距的增加近似呈指数递减趋势；当改变炸药质量时，钢板中心最大位移随炸药质量的增加近似呈线性递增趋势；当改变聚脲涂层厚度时，钢板中心最大位移随涂层厚度的增加近似呈线性递减趋势。高照等[4]利用球形弹丸对涂覆聚脲涂层的钢板结构进行了弹道冲击试验，研究了复合结构的抗侵彻性能，发现前面涂覆聚脲涂层可以提高复合结构的弹道极限，背面涂覆聚脲涂层可形成质量块吸能。甘云丹等[5]通过数值模拟方法研究了涂覆聚脲涂层后的复合结构在水下爆炸载荷加载下的抗爆能力，发现涂覆聚脲的钢板复合结构的抗爆能力提升约20%。Amini 等[6]通过分析单位厚度的破坏能量后得出，在钢板背面涂覆聚脲时可以较明显地提高钢板的抗爆性能。Rotariu 等[7]、Wang 等[8]也研究发现，聚脲材料能够显著提高钢板复合结构的防护性能，证明该材料在防护领域具有潜在的应用价值。王小伟等[9]研究了聚脲弹性体夹层结构在爆炸载荷下的动态响应，在厚度及质量分别保持一定的条件下，给出了该复合夹层结构中钢板厚度与聚脲层厚度的最佳比值。

目前国内外对聚脲防护性能的研究主要集中在防护效果上，对聚脲涂层提高结构体防护作用机理研究尚少。本研究针对涂覆聚脲涂层的钢板复合结构，按照外爆载荷加载单板结构的思路开展试验，通过对比爆炸载荷作用下复合结构的变形失效情况，并结合涂层的微观分析，探究聚脲涂层提高复合结构抗爆性能的作用机理。

1 试验概况

1.1 试验材料

采用定量TNT 药柱对等面密度、等钢板厚度两组靶板结构进行爆炸载荷加载。Q235 钢板为聚脲涂覆的底材，其尺寸为400 mm × 400 mm ×H，H为钢板厚度，分别为1.2、1.5 和2.0 mm，边界通过螺栓进行约束，约束后钢板的实际受载面积为250 mm × 250 mm，具体尺寸及实物如图1 和图2所示。在喷涂聚脲涂层之前，需对Q235 钢板进行清洁喷砂处理，并喷涂专用底漆以增大防护涂层和钢板之间的附着力[10]。试验中所采用聚脲材料的密度为1.02 g/cm3，抗拉强度为35 MPa，撕裂强度为135 kN/m，断裂伸长率为300%。

图1 靶板结构尺寸Fig. 1 Dimensions of target plate

图2 靶板实物Fig. 2 Target board

1.2 试验原理及试验工况

试验工装布置如图3 所示，将圆柱形TNT 药柱安装在靶板中心上方50 mm 处，试验药量分别为40 和60 g，TNT 药柱尺寸分别为 ∅30 mm × 36 mm、 ∅30 mm × 54 mm，按表1 所示试验工况开展试验。对于Shot 01～Shot 03，在等面密度条件下，分析涂覆在钢板迎爆面时，聚脲涂层的厚度对结构抗爆性能的影响；对于Shot 04～Shot 06，在等钢板厚度条件下，分析聚脲涂层作为复合结构的迎爆面和背爆面时，不同结构抗爆性能的优劣。

图3 试验工装布置Fig. 3 Test tooling arrangement

表1 静爆试验工况Table 1 Experimental conditions

2 聚脲涂层抗爆作用机理

2.1 弥散效应

在工程防护领域，涂覆聚脲涂层的钢板复合结构在爆轰波加载作用下会发生较严重的大面积失效变形，该响应过程具有显著的非线性特征[11]。当涂覆聚脲涂层的靶板材料的屈服强度低于爆炸冲击波强度时，靶板材料在一定程度上会发生塑性变形，同时冲击波转变为弹塑性应力波在靶板材料内部传播加载，此时弹塑性应力波波速取决于所作用材料的密度和切线模量，表达式为

式中： ρ0为所作用材料的密度；d σ /d ε为所作用材料的切线模量，该切线模量与聚脲防护涂层对能量的弥散效应密切相关。

由聚脲材料的力学性能研究可知：在塑性变形段内，聚脲材料的切线模量在动态力学性能测试中随着应变的增大而逐渐降低，与准静态测试相反，表现出一定的“递减硬化”特性，如图4 和图5 所示。

图4 准静态测试时聚脲材料切线模量的变化趋势Fig. 4 Trend of tangent modulus of polyurea materials under quasi-static tests

自由场静爆试验属于高应变率加载试验，因此对聚脲涂覆钢复合结构抗爆性能的分析主要以动态测试结果为主。由图4 和图5 可以看出：在动态载荷作用下，聚脲材料的切线模量呈现出“递减硬化”特性，随着加载应力的不断增大，塑性应力波波速逐渐降低。该现象表明应力波在高幅值加载扰动下的传播速度明显低于低幅值加载扰动。因此加载应力波剖面在传播过程中逐渐变得平坦，形成应力波的弥散现象，即本构弥散，意味着塑性应力波在传播过程中自身能量逐渐降低。当加载应力波作用于材料界面时，原先较为陡峭的加载波阵面会在连续的弹性卸载应力波作用下出现多个阶梯，最终的应力时程变化曲线较明显地显示出波形弥散现象，即界面弥散。相较于材料的本构弥散，界面弥散效应更强、更明显，并且当界面处介质的波阻抗差值越大时，应力波弥散效应越显著，同时也意味着对应力波能量吸收的效果越好[12]。

图5 动态测试时聚脲材料切线模量的变化趋势Fig. 5 Trend of tangent modulus of polyurea materials under dynamic tests

2.2 热软化效应

3 试验结果分析

3.1 等面密度试验结果分析

在40 g TNT 载荷加载下，3 种复合结构的变形失效情况如图6 所示。由图6 可知，无涂覆钢板与迎弹面涂覆4 mm 聚脲涂层的钢板复合结构均发生了大鼓包变形，挠度分别为41 和43 mm，其中涂覆聚脲的钢板复合结构的鼓包变形处产生了一条长度约20 mm 的裂缝，如图6(b)所示，说明该靶板结构已处于临界破坏状态；涂覆6 mm 聚脲涂层的钢板复合结构发生近似圆形花瓣型开裂破坏，破口直径约为80 mm，如图6(c)所示。

两种靶板表面的聚脲涂层均发生了直径约为100 mm 的圆形试样剪切脱落。这是因为：圆柱形TNT 炸药起爆后，形成一个半球形的爆炸冲击波，并向靶板传播加载；当作用到聚脲涂层表面时，在面板内部形成如图7 所示的剪切应力波，接触区范围内的目标靶板迅速进入塑性状态；随着爆轰波压力的增大，板内剪切应力波迅速上升，板内剪切应力区扩展，形成完整的剪切波阵面在板内传播[13-14]，最终导致试样脱落。

综合对比3 种靶板结构的变形结果，发现随着迎爆面涂覆聚脲涂层厚度的增加，底材钢板的变形破坏程度逐渐增大，说明在等面密度条件下，迎爆面涂覆聚脲涂层降低了靶板结构的抗爆性能，且破坏程度随着聚脲涂层厚度的增加而增大。

图6 靶板变形及破坏情况Fig. 6 Deformation and failure of targets

图7 球形冲击波载荷Fig. 7 Spherical shock wave loading

3.2 等钢板厚度试验结果分析

基于3.1 节的等面密度试验，研究在钢板厚度相同的条件下，聚脲涂层涂覆位置对钢板复合结构抗爆性能的影响，3 种靶板结构的变形失效如图8 所示。

由图8 可知，靶板表面涂覆聚脲防护涂层后可以显著降低爆炸载荷加载下靶板结构的破坏程度。无涂覆钢板呈现出近似圆形破口，直径约180 mm，如图8(a)所示；迎爆面涂覆聚脲涂层的钢板复合结构呈现出椭圆形破口，如图8(b)所示，破损长轴沿着钢板的塑性绞线方向扩展，破口尺寸约130 mm ×80 mm；而背爆面涂覆聚脲涂层的钢板复合结构呈现出约85 mm 的规则圆形破口，如图8(c)所示。综合对比可知：在钢板厚度相同的条件下，涂覆聚脲涂层的钢板复合结构的破坏程度均小于无涂覆钢板复合结构，其中背爆面涂覆聚脲的钢板复合结构破坏程度最小，说明涂覆聚脲涂层可以显著提高靶板结构的抗爆性能，其中背爆面涂覆聚脲涂层对结构抗爆性的提高更显著，且破口更规则。

图8 靶板变形及破坏情况Fig. 8 Deformation and failure of targets

基于聚脲涂层涂覆钢板抗外爆载荷作用的结果，赵鹏铎等[15]对聚脲涂覆箱体结构的抗内爆载荷性能进行研究，采用140 g 药量对无涂覆、迎爆面涂覆和背爆面涂覆聚脲箱体3 种结构进行内爆加载试验，箱体变形破坏情况如图9 所示。研究发现：涂覆聚脲涂层可以提高箱体结构在内爆载荷作用下的抗爆性能，且迎爆面涂覆聚脲结构的抗爆性能优于背爆面涂覆结构，主要表现在降低了箱体结构的变形破坏程度。该试验结果与本研究中相同厚度条件下涂覆钢板复合结构的抗爆性能试验结果一致，即涂覆聚脲涂层可以提高结构的抗爆性能，其中涂覆于背爆面时的提升效果更显著。

采集迎爆面涂覆钢板脱落的聚脲试样进行微观分析，发现试样内部局部区域发生显著的拉伸失效变形，呈现出一种高温烧蚀状，如图10 所示。聚脲面板产生的动态响应与高应变率加载下的应变率效应、绝热升温导致的热软化等密切相关。

图9 箱体变形Fig. 9 Deformation and failure of boxes

图10 聚脲试样微观结构Fig. 10 Microstructure of polyurea sample

涂覆聚脲涂层的钢复合结构的抗爆性能之所以优于无涂覆结构，是因为聚脲材料在高应变率载荷下表现出“递减硬化”特性，在爆轰波作用下形成了该材料特有的“本构弥散”效应，即在爆轰波作用初期，聚脲材料主要受到波的压缩作用，通过压缩变形消耗爆轰波的部分能量；随着爆轰波能量逐渐增大，靶板复合结构的变形逐渐增大，同时聚脲材料也沿着爆轰波传播方向发生拉伸变形，继续增大对爆轰波能量的消耗；另外由于聚脲涂覆复合结构的两介质界面处波阻抗差值较大，产生了比“本构弥散”效应更强、更明显的“界面弥散”效应，通过这两种波的弥散效应，促进了聚脲涂层对爆轰波能量的吸收。

除此之外，由于聚脲材料的断裂延伸率高，拉伸性能优异，因而背爆面涂覆的聚脲涂层通过拉伸变形消耗爆轰波能量，同时作为钢板的支撑面板抑制了钢面板的变形破坏，降低了破坏程度。由图10可以看出：在爆轰波作用下，迎爆面聚脲涂层材料发生了严重的热软化效应，很大程度上抵消了高应变率下聚脲材料的硬化效应，导致材料性能下降，从而发生严重的失效破坏。对比之下，背爆面涂覆的聚脲涂层可以更强、更显著地吸收爆轰波的能量，降低靶板钢板的变形程度。综合以上分析，背爆面涂覆聚脲涂层复合结构的抗爆性能优于迎爆面涂覆聚脲复合结构。