赵鹏铎，贾子健，王志军，张磊，徐豫新 ，张鹏

1海军研究院，北京100161

2中北大学机电工程学院，山西太原030051

3北京理工大学爆炸科学与技术国家重点试验室，北京100081

0 引 言

在弹体的爆炸冲击载荷作用下，结构体会发生严重破损，产生大量破片，并对设备和人员带来二次杀伤。因此，为提高结构体的生命力，首先要提高结构体的抗爆抗冲击能力［1］。目前，国内外在防护结构上采用的轻型复合装甲多使用玻璃纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯等轻量化材料［2-4］，这些防护结构合理利用了纤维材料具有较大的断裂伸长率和抗拉强度，以及易加工等优点，再结合防弹装甲进行加装，可增强防护结构的抗破片侵彻效果，缓解爆炸冲击对设备和人员的伤害［5-6］。但是，使用上述复合材料的防护结构仅具备一定程度的抗低速破片侵彻的能力，而抗高速破片侵彻的效果不大。在新型防护材料中，聚脲是一种可以进一步改善结构防护性能的材料［7-8］。

目前，在多数抗爆抗冲击工程领域，采用较多的是喷涂聚脲弹性体，即一种玻璃化温度低于室温、断裂伸长率大于50%、外力撤出后复原性较好的高分子材料。本质上，弹性体与聚脲均属于高分子聚合物。弹性体材料所涵盖的断裂伸长率、硬度等力学性能参数范围很大，多数聚脲材料一般均包括在内，但有部分聚脲材料超过了弹性体的范畴，所以聚脲弹性体既是聚脲材料的一个大类，也是弹性体材料中的一种。在少数针对聚脲材料结构的抗侵彻防护研究中，其所用材料均限于聚脲弹性体［9］，且涉及的聚脲抗爆抗冲击复合结构的研究也局限于聚脲弹性体材料（软质聚脲），而涉及非弹性体聚脲（硬质聚脲）的研究则较少。

本文将以具有低密度、低断裂伸长率、低成本以及便于施工等特点的非弹性体聚脲材料为主要研究对象，基于聚脲材料和轻量化材料以不同方式结合使用的思路，开展聚脲涂覆钢板复合结构的冲击加载试验，通过对不同复合结构的极限比吸收能及弹道极限速度指标的对比分析，验证不同聚脲涂层对复合结构抗冲击性能的影响。

1 试验材料

1.1 硬质聚脲

聚脲是由异氰酸酯与氨基化合物这2种组分均匀混合后反应生成的一种物质，两种组分的配比不同，反应生成的聚脲材料的力学性能也存在差异。聚脲材料具有非常优秀的力学性能，例如较高的弹性模量、较好的抗冲击性能、耐磨等。在工程应用中，该材料一般需要结合底材（例如钢、铝等及其他非金属材料）一起使用，而且聚脲材料与底材之间的附着力较高，可长期不脱落。在喷涂使用前，通常需要对底材进行清洁处理、喷砂、涂底漆等工序，以提高聚脲材料的附着力［10］。

目前，海洋化工学院已研制出适合中国国情的SPUA及SPU（A）各6大系列聚脲产品，并已在多项工程中大量使用［11］。聚脲材料的色泽在加工中可按需调制，在正常实验室条件下（温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%、固化一周）测得聚脲材料相应的力学性能参数。其中，断裂伸长率与邵氏硬度具有相关性，高断裂伸长率聚脲材料所对应的表面硬度较低，低断裂伸长率聚脲材料所对应的表面硬度较高。本次试验中使用的高硬度聚脲材料产品型号为SPUA-307，表1给出了其力学性能参数。

表1 SPUA-307高硬度聚脲材料力学性能Table 1 Mechanical properties of the SPUA-307 high hardness polyurea materials

1.2 涂覆底材及破片

本文试验采用的复合结构由聚脲涂层与玻璃、芳纶等多种纤维材料组成的底材混合而成，图1所示为涂覆了聚脲的玻璃纤维—芳纶（FRC）复合板。由于玻璃纤维材料具有较高的硬度及拉伸强度、较低的断裂伸长率以及耐高温、性脆等特点，在工程应用中始终作为迎弹面，以更好地依靠材料的脆性来消耗破片侵彻冲击的能量。而芳纶纤维属于一种柔性高分子材料，具有高断裂伸长率的特点，通常作为背弹面使用，可以起到兜住飞出的破片及消耗破片能量的作用。

图1 复合材料涂层及聚脲涂层Fig.1 The composite laminated plates and polyurea coating

本文使用的复合板尺寸为325 mm×365 mm，厚度为9 mm（其中，玻璃纤维材料厚6 mm，芳纶材料厚3 mm）。表2和表3分别给出了玻璃纤维和芳纶材料的相关力学性能参数［12］。在涂覆聚脲层前，先对复合板进行清洁处理，以保证涂层与复合板间的粘结强度。试验用立方体破片的质量为3.3 g，尺寸7.5 mm，材料为35CrMnSiA钢。表4给出了热处理后35CrMnSiA钢的准静态力学性能参数。

表2 玻璃纤维材料力学性能Table 2 Mechanical properties of the glass fiber

表3 芳纶材料力学性能Table 3 Mechanical properties of the aramid fiber

表4 35CrMnSiA钢准静态力学性能Table 4 Quasi-static mechanical properties of 35CrMnSiA steel

2 试验内容

2.1 试验原理及工况

利用北京理工大学试验场口径为12.7 mm的滑膛弹道枪对涂覆了聚脲材料的FRC复合板进行破片加载试验，采用六通道计时仪采集和计算破片速度。弹道枪试验布置如图2所示，枪口与靶前测速Ⅰ靶的距离为671 mm，靶前测速Ⅱ靶至目标靶板的距离为1 285 mm，两个靶前测速靶的间距为1 430 mm，射击距离为3 386 mm。具体试验工况如表5所示。

图2 试验布置图Fig.2 Sketch of experiment setup

表5 试验工况Table 5 Experimental conditions

2.2 试验结果

表6给出了高速冲击试验中破片穿透靶板及未穿透靶板的有效组，表7给出了不同靶板的高速冲击试验结果及计算获得的弹道极限速度［13］。其中，弹道极限速度采用式（1）所示的美国Frankford兵工厂试验数据处理方法［14］计算得到。

式中：υ50为弹体穿透靶板的弹道极限速度；υA为试验中所有测试速度的均值；NP为未穿透靶板的发数；NC为完全穿透靶板的发数；υHP为未穿透靶板的最高速度；υLC为完全穿透靶板的最低速度。

表6 不同靶板的高速冲击试验结果Table 6 Results of high speed impact experiment for different target plates

表7 不同靶板的弹道极限速度和相对增幅Table 7 The ballistic limit velocity and relative growth of different target plates

当破片以弹道极限速度υ50加载到靶板时（υ50的取值见表7），在保证靶板被穿透的同时，破片剩余速度为0，则破片所有能耗Eλ为

式中，m为破片质量。

根据能量守恒定律，破片所有能耗Eλ转化为靶板的抗破片侵彻吸收能量，结合靶板面密度（具体见表5），由式（2）计算得到靶板单位面密度吸收能（极限比吸收能Ei），如表8所示。

式中：ρ1，ρ2，ρ3分别为聚脲、玻璃纤维、芳纶材料的密度，其值具体见表1，表2和表3；H1，H2，H3分别为靶板结构的上述3种材料厚度，分别为4，6，3 mm。

表8 不同靶板结构的极限比吸收能和相对增幅Table 8 The limit specific absorption energy and relative growth of different target plates

3 结果分析

本文以结构的弹道极限速度及单位面密度吸收能为指标，研究分析不同结构抗破片侵彻能力的优劣性。由表7和表8可以看出，不同靶板的弹道极限速度、极限比吸收能与涂覆方式相关。

由表7可以看出，相比无涂覆聚脲的FRC复合板，迎弹面聚脲复合板的弹道极限速度提高了16.12%。相反，背弹面聚脲复合板、双面涂覆聚脲复合板却分别降低了8.65%和10.34%。可见，迎弹面涂覆聚脲的复合板弹道极限速度提高效果最佳；背面涂覆和双面涂覆次之，且涂覆聚脲对两种板结构弹道极限速度的增幅有一定的抑制作用。

由表8可以看出，不同靶板的极限比吸收能与结构弹道极限速度有类似的变化规律，极限比吸收能的相对增幅受到聚脲涂层不同涂覆位置的影响。其中，迎弹面聚脲涂层的结构极限比吸收能提高了5.12%，而在背弹面和双面涂覆聚脲涂层则大幅度降低了结构的极限比吸收能，降幅分别达34.94%和37.33%。

为了分析涂覆了高硬度聚脲和软质聚脲的玻璃纤维—芳纶复合板抗冲击性能的优劣性，本节与文献［12］中关于涂覆软质聚脲的玻璃纤维—芳纶复合板的试验数据进行了对比验证，结果如表9所示。

通过对比，发现相比涂覆了软质聚脲的迎弹面，涂覆了硬质聚脲的复合板的弹道极限速度及极限比吸收能提高了约8.2%和16.9%，而涂覆了软质聚脲的涂层则降低了复合板的极限比吸收能，即对耗能产生了抑制作用；相比涂覆了软质聚脲的背弹面，涂覆了硬质聚脲的复合板的弹道极限速度及极限比吸收能分别降低了约2.8%和5.6%。

表9 不同性质的聚脲复合结构试验结果对比Table9 Experiment result comparisons of polyurea-coated composite structure with different properties

下节将结合高硬度聚脲涂层和软质聚脲涂层的宏观破坏形貌，进一步分析不同性质聚脲涂层的防护性能。

4 宏观破坏形貌分析

图3～图7所示为硬质聚脲涂层、软质聚脲涂层复合板（靶板）的破坏模式示意图。

图3 无聚脲涂层靶板的宏观破坏形貌对比Fig.3 Macroscopic fracture comparisons of non-polyurea-coated target plates

图4 迎弹面涂覆硬质聚脲靶板的宏观破坏形貌对比Fig.4 Macroscopic fracture comparisons of the front of high hardness polyurea-coated target plates

图5 背弹面涂覆硬质聚脲靶板的宏观破坏形貌对比Fig.5 Macroscopic fracture comparisons of the back of high hardness polyurea-coated target plates

图7 涂覆软质聚脲靶板的宏观破坏形貌对比Fig.7 Macroscopic fracture comparisons of soft polyurea-coated target plates

从以上图可以看出，不同于软质聚脲，硬质聚脲涂层呈现出了脆性断裂破坏模式，靶板在冲击作用下涂层受到影响的区域较大，且破坏程度明显，发生了大面积的脆性脱落。具体分析如下：

1）当迎弹面涂覆硬质聚脲涂层时，聚脲涂层发生了以破片冲击作用点为中心呈圆形的大面积脱落情况，其直径约为破片尺寸的4～5倍。同时，靶板面的破片入口尺寸相比无聚脲涂层结构的尺寸偏小；在弹丸穿透及未穿透的情况下，靶板背部纤维出弹口的纤维丝抽拔及鼓包均小于无涂层靶板。

可见，迎弹面涂覆硬质聚脲不仅能对靶板的能耗效应产生影响，且凭借其较高的强度抵御了破片开坑冲击，吸收消耗了破片冲击动能并传递了冲击载荷，进而提高了靶板的整体能量消耗。此外，从复合板芳纶纤维的小鼓包变形破坏程度看，迎弹面涂覆硬质聚脲的靶板提高了结构抗破片侵彻能力，而涂覆软质聚脲的靶板（图7）由于软质聚脲强度较小，其迎弹面抗破片侵彻能力极低，未对破片冲击动能起到较大的缓冲抑制作用，产生的破口相比硬质聚脲涂覆的靶板要小，导致靶板的弹道极限速度和极限比吸收能相比硬质聚脲降低了约8.2%和16.9%。

2）当背弹面涂覆硬质聚脲时，在破片冲击产生的应力波作用下，聚脲涂层会优先在复合板层发生破坏。玻璃纤维面入弹口处产生的破坏形貌与无涂覆的板结构类似，破口大小也一致，而背弹面聚脲涂层的破坏形貌较明显，涂层发生了大面积脱落，呈现出不规则的圆形，且大小约为立方体破片尺寸的7～8倍。此外，从背部芳纶纤维的变形来看，产生的鼓包和纤维丝抽拔尺寸均小于无涂覆的板结构。

可见，在背弹面涂覆硬质聚脲的情况下，由于硬质聚脲的断裂伸长率有限，明显限制了芳纶纤维依靠其较强的拉伸性能而形成分层和大鼓包的现象，从而降低了芳纶纤维通过分层及纤维丝抽拔等消耗破片冲击能的作用。由相关图可见，背弹面芳纶纤维出弹口鼓包等变形明显小于迎弹面，这影响了芳纶纤维对冲击动能的消耗，导致大量冲击能量作用于背面的硬质聚脲涂层，使涂层出现了大面积脱落。从背弹面涂层产生的宏观破坏形貌来看，涂层裂纹明显多于迎弹面，这也解释了背弹面和迎弹面相比出现大面积涂层脱落的原因。而对于涂覆软质聚脲的复合板，由于涂层断裂伸长率高、拉伸破坏变形大，对背弹面芳纶纤维的限制较小，故相对于硬质聚脲复合板的弹道极限速度、极限比吸收能分别提高了约2.8%和5.6%。

3）双面涂覆硬质聚脲的复合板，在宏观破坏形貌上兼有迎弹面及背弹面涂覆情况下的破坏特征，但破坏尺寸相对变大，背面聚脲涂层脱落尺寸约为破片的8～10倍，且背面的纤维破坏形貌在所有涂覆结构中最小，耗能作用的发挥也最不彻底。

5 结 论

本文对以不同方式涂覆硬质聚脲的玻璃纤维—芳纶复合板进行了抗冲击性能试验。通过分析，得到如下主要结论：

1）聚脲涂覆的玻璃纤维—芳纶复合板结构弹道极限速度及极限比吸收能与涂覆的聚脲材质有很大关系。

2）迎弹面涂覆硬质聚脲涂层可以显著提高复合板结构的弹道极限速度、极限比吸收能，且凭借其自身的高硬度等特性，通过发生大面积脆性脱落来吸收消耗破片的冲击动能，从而提高结构抗冲击性能；而软质聚脲由于强度小，断裂伸长率高，在迎弹面涂覆不利于消耗破片的冲击动能，对结构抗冲击性能提高较小。

3）对于在背弹面涂覆硬质聚脲涂层，由于其断裂伸长率较小、硬度高，限制了玻璃纤维—芳纶复合板的鼓包变形耗能，从而降低了复合板的弹道极限速度和极限比吸收能，不利于提升复合板的抗冲击性能；而在背弹面涂覆软质聚脲可以使玻璃纤维—芳纶复合板结构对破片冲击动能的缓冲消耗作用得到充分发挥，且自身也能通过高断裂伸长率缓冲拦截破片的冲击，有效提高了复合板结构的抗冲击性能。