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摘要

復合材料已被廣泛應用于爆炸和彈道撞擊等領(lǐng)域，被認為是吸收爆炸能量的有效材料。聚脲作為一種減震材料，在復合材料中的應用是一個(gè)相對較新的思路。本研究以聚脲（PU）和E-玻纖乙烯基酯（EVE）復合材料為研究對象，進(jìn)行了層狀和夾層復合材料的實(shí)驗研究。使用激波管評估有效的抗爆震能力。平編織復合材料和層狀復合材料的矩形板，沿兩側簡(jiǎn)支，其它兩條邊自由排列，受爆破沖擊。在爆炸沖擊引起的動(dòng)態(tài)彎曲過(guò)程中，利用高速攝像機實(shí)時(shí)觀(guān)察了板的自由端。結果表明，聚脲層的加入大大提高了沖擊面的防爆能力。此外，將聚脲夾在兩者之間制備的三明治材料，與層狀和復合板材相比，具有最好的抗爆炸性能。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維復合材料；聚脲；分層夾層結構；抗爆震性；結構響應

1·介紹

復合材料在海防結構中有著(zhù)廣泛的應用，隨著(zhù)在服役和常規作戰演習中對這些結構的無(wú)數次爆炸攻擊的出現，對爆炸響應和阻力的正確認識對于設計和開(kāi)發(fā)新材料和新方法以提高結構的抗沖擊能力至關(guān)重要。本文研究了整體板和傳統夾層結構對爆炸荷載的響應，并對均質(zhì)結構進(jìn)行了研究。但是，爆炸作用下復合材料和層狀結構的實(shí)時(shí)響應實(shí)驗觀(guān)察有限，近年來(lái)，研究人員提出了在建筑物和結構上進(jìn)行聚合物基涂層以提高抗爆震能力。除了能量吸收外，各種研究都致力于減少抗爆炸荷載所需的材料數量。在傳統的復合材料結構上噴涂或應用聚脲是一種類(lèi)似的方法。聚脲的加入給復合材料的結構響應帶來(lái)了復雜性，其原因包括材料的非線(xiàn)性行為和聚脲中的色散波傳播。聚脲的速率敏感行為一直是人們研究的熱點(diǎn)，并表明聚脲的材料行為與其組成、加載速率和溫度有關(guān)。在前人的工作中，作者對不同邊界條件下平紋編織復合材料的抗爆震性能進(jìn)行了表征，研究了聚脲在常規復合材料上的分層動(dòng)態(tài)響應和結構單元的抗爆震性能。用分離式Hopkinson壓桿進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性表征，用激波管研究了爆炸響應。除了這些分層材料，也對三明治材料進(jìn)行了實(shí)驗研究。

2·材料

2.1 乙烯基酯（E -玻璃復合材料板）

所用樹(shù)脂體系為陶氏化學(xué)公司的derakane 510 A-40型，選用玻璃纖維工業(yè)公司（FGI）提供的編織纖維電子玻璃，其面積為610 g/m2，結構不平衡，經(jīng)向和填充方向的纖維含量分別為59%和41%，可在相關(guān)文獻中找到進(jìn)一步的詳細資料。

2.2 聚脲

聚脲是一種交聯(lián)的非晶態(tài)異氰酸酯單體或預聚物與聚胺曲線(xiàn)。要將其歸類(lèi)為聚脲，該化合物必須含有至少80%的多胺。

聚脲有兩種基本類(lèi)型：芳香族和脂肪族。國際工程聚合物公司提供的一種芳香型聚脲被用于這項研究。聚脲通常具有100%固體，低出氣，低抗濕收縮能力，并能與許多基材（混凝土、塑料和鋼）很好地結合。固化體系的玻璃化轉變溫度可在-60～480°之間。聚脲具有極強的抗熱震性和抗爆炸作用。當火焰從表面去除時(shí)，聚脲也是自熄滅的。EP Js具有20.34MPa的拉伸強度，延展率350%，模量為11.16 MPa和87.5kn/m撕裂強度。

2.3 聚脲層狀夾層復合板制造VARTM板

VARTM制造的面板是由玻璃纖維工業(yè)提供的一種平紋玻璃纖維織物型布FIG-1854制造的。織物是一個(gè)由14層的玻璃纖維在真空環(huán)境壓實(shí)成厚度為6.35毫米面積為0.965×0.965米的結構板。溴化雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂，由Ashland化學(xué)公司提供的derakane 510A-40由CONAP，2，4-p和mEKP催化。乙烯基酯樹(shù)脂在736.6 mm HG（2900 Hg）下進(jìn)行脫氣，在室溫下用635 mm（2500）hg真空浸漬到織物中。在真空袋中固化6小時(shí)后取出，纖維體積分數為0.605。

第二個(gè)面板的7層平衡/對稱(chēng)鋪層厚度為6.35mm面積為0.965×0.482米復合夾層結構。

第三個(gè)面板由4層單向板制成用于機械特性的測試。。用水冷的方法將固化板切成所需的尺寸。聚脲涂層鑄造基材用金剛石鋸片。

2.3.1 三明治板

根據材料供應方的建議，制造了厚度分別為6.35mm和3.18mm的聚脲涂層的樣件，然后按照設計（單面、兩側和夾有復合板）將這些樣件復合在所需尺寸的面板上形成復合板，有關(guān)這些復合板的更詳細的信息在第3.2節中敘述。

2.4 動(dòng)態(tài)特性（霍普金斯桿）

采用分離式霍普金森壓桿（Shpb）裝置對平紋編織復合材料、聚脲和層狀材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)表征。圖1中示出了設置的基本原理圖。有關(guān)SHPB實(shí)驗過(guò)程和數據分析的詳細資料可在文獻中找到。實(shí)驗中使用的棒徑為5cm，試樣直徑為3.8 cm。平編織復合材料和層狀材料的厚度分別為5c m和1cm。分層材料由0.5cm平紋編織復合材料和聚脲組成。對平紋編織復合材料、聚脲和聚脲復合材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗，并對聚脲材料進(jìn)行了沖擊棒面和平編織復合材料的動(dòng)態(tài)試驗。

圖1 霍普金斯桿試驗的基本原理

圖2，圖3分別給出了普通編織復合材料和聚脲復合材料的應力-應變響應。聚脲樣品的應變率為800/s ，復合樣品的應變率為1900/s 。聚脲材料在1%應變下，流動(dòng)應力為10 MPa，應變維持在4%以上，在4%應變范圍外，應變硬化效應幾乎呈線(xiàn)性增長(cháng)，應變水平達到8%，復合材料在3-4%應變下出現350 MPa的峰值壓縮應力。

圖2聚脲在動(dòng)載條件下的 應力-應變響應

圖3高應變率下普通復合材料的 應力-應變響應

圖4中顯示了層狀材料在應變速率為1100/ S時(shí)的動(dòng)態(tài)應力-應變行為。層狀試樣在動(dòng)態(tài)壓縮作用下，峰值壓縮應力不具有單一點(diǎn)的特征，其最大強度低于普通復合材料，但高于聚脲試樣。

在1.3-1.5%、5.3%~5.5%和14.5%~14.7%的應變水平上觀(guān)察到峰。最大強度出現在第三個(gè)峰值，對應于107和PU/EVE和EVE/PU分別為99 MPa。結果表明，沖擊載荷方向對層狀材料的響應影響不大。無(wú)論聚脲是面對入射桿還是變送器桿，兩種情況下的應力-應變響應都非常接近。雖然這在SHPB測試中是正確的，但這種行為在結構應用程序中并不明顯，如稍后顯示。

圖4.高應變率下EVE/PU和PU/EVE層狀復合材料的應力-應變

3.試驗方法

該實(shí)驗方案由矩形板的平面編織復合材料、層狀材料和夾層材料承受不同強度、不同形式的爆炸載荷組成。爆炸載荷可以通過(guò)各種方式產(chǎn)生。炸藥被廣泛應用于爆炸氣體和產(chǎn)品膨脹帶來(lái)的伴隨壓力加載的快速加載率，控制爆炸載荷的速率并獲得實(shí)時(shí)數據。爆炸是實(shí)驗上的挑戰，需要適當的安全操作。激波管是一種更易受控制的方法，可以獲得類(lèi)似的爆炸加載效果。由于沒(méi)有實(shí)際燃燒材料，所以比爆炸更加清潔，試樣中所造成的破壞僅限于突然膨脹造成的壓力。

3.1 沖擊波載荷

以最簡(jiǎn)單的形式，激波管由一個(gè)長(cháng)的剛性圓筒組成，分為一個(gè)高壓驅動(dòng)段和一個(gè)低壓驅動(dòng)部分，由一個(gè)隔膜隔開(kāi)，通過(guò)加壓高壓段來(lái)操作，直到聚酯隔膜上的壓差達到臨界值并破裂。這種氣體的快速釋放產(chǎn)生了沖擊波，通過(guò)管道傳播到試樣上的空氣爆炸載荷。

圖5  擊波管設施圖

圖5顯示了羅德島大學(xué)激波管設施的照片。本研究中的激波管裝置的總長(cháng)度為8m。并分為1.82米驅動(dòng)段、3.65米驅動(dòng)段和最后2.53米炮口段。驅動(dòng)器和驅動(dòng)截面的直徑為0.15米。與試件接觸的槍口段的最終直徑為0.07m。驅動(dòng)氣體是氦，驅動(dòng)氣體是環(huán)境空氣。由于驅動(dòng)器和驅動(dòng)部分之間產(chǎn)生壓差，聚酯薄膜破裂，在測試過(guò)程中產(chǎn)生并驅動(dòng)沖擊波降低壓力和反射壓力。在傳感器位置獲得的典型壓力剖面如圖6所示。壓力傳感器（PCBA 23）在槍口端部測量沖擊壓力。信號的第一個(gè)峰值是“輸入沖擊壓力”，第二個(gè)峰值是“反射壓力”。對于給定數目的聚酯薄膜，輸入沖擊壓力保持不變，而反射壓力則取決于沖擊所依據的材料。對激波管進(jìn)行了校準，以獲得給定數目的聚酯薄膜的輸入激波壓力，可在相關(guān)文獻中找到。表1總結了本研究中所測試材料的輸入和反射沖擊壓力值。沖擊測量采用具有合適觸發(fā)機制和高速記錄設備采集記錄數據。

圖6 傳感器測量沖擊波壓力曲線(xiàn)

3.2 板的幾何尺寸與邊界條件

表1 實(shí)測沖擊和反射壓力

制作了尺寸為0.23m、0.102 m的矩形板，該板沿兩條邊（短邊）簡(jiǎn)支于0.152 m以上，其余兩條邊是自由的，爆炸荷載覆蓋了一個(gè)直徑為76 mm的圓形區域，如圖7所示。

平面編織復合材料的表面厚度為6mm，層狀復合材料的標稱(chēng)厚度為12 mm，包括6mm平面編織復合材料和6mm聚脲涂層。

1. ＰＵ側面對沖擊波

2.ＥＶＥ側面對沖擊波

在爆炸荷載作用下研究了兩種夾芯復合材料結構。雖然有一個(gè)軟核（PU）夾在兩個(gè)硬皮之間（EVE），另一個(gè)有硬芯（EVE）夾在兩個(gè)柔軟的皮膚（PU）之間。夾層復合材料及其尺寸如下：

1. 3mmＥＶＥ+６ｍｍＰＵ+３ｍｍＥＶＥ（ＥＶＥ/ＰＵ/ＥＶＥ三明治結構）

2. ３ｍｍＰＵ+６ｍｍＥＶＥ+３mmＰＵ（ＰＵ/ＥＶＥ/ＰＵ三明治結構）

圖７在激波管末端保持在簡(jiǎn)支狀態(tài)下的實(shí)際試樣和描述載荷和邊界區域的標本草圖

3.3 高速影像

采用高速相機記錄材料在爆炸載荷作用下的變形情況。從側面用IMCON高速攝影機觀(guān)察平板的一個(gè)自由端。該相機能以高達2億幀/秒的速度拍攝16張照片，曝光時(shí)間低至5毫秒。典型的爆炸載荷事件約為2-6毫秒，并在響應過(guò)程中使用攝像機記錄板的變形情況。通過(guò)對這些圖像的后期分析，給出了變形過(guò)程中板材中心點(diǎn)的變形時(shí)程，并以此為參數比較了這些材料在不同爆破加載條件下的性能。

4.結果與討論

4.1 爆炸結果檢查

采用宏觀(guān)表觀(guān)檢查、顯微觀(guān)察和實(shí)時(shí)測量三個(gè)主要參數對防爆性能進(jìn)行了表征。宏觀(guān)和微觀(guān)研究包括識別不同的損傷模式和損傷程度。

4.1.1 表觀(guān)檢查

如圖9所示，EVE面板的損壞主要集中在中部地區（使用底部光源拍攝的照片）。層狀和夾層的宏觀(guān)視覺(jué)損傷也表現為中央區域的損傷程度（圖1）。10和11）。當永久變形超過(guò)厚度的2.5倍時(shí)，面板被視為‘完全失敗’。由于兩個(gè)主要因素，即使在層狀和夾層材料系統中，這個(gè)參數也是正確的。

1.在所有情況下，復合材料的體積和凈重是相同的。

2. 聚脲的模量（5~10在應變速率為1000 S-1），比復合材料的模量低。

圖9 玻璃纖維/乙烯基酯復合板在不同強度爆炸載荷下的損傷

4.1.1.1 PU/EVE層狀復合材料在入射沖擊壓力為0.62 MPa時(shí)失效，而PU/EVE層狀復合材料在入射沖擊壓力為0.76MPa的情況下失效，而PU/EVE層狀復合材料的損傷過(guò)程非常相似（圖10）。在EVE中損傷的級數，但在層狀復合材料的情況下，引起相同程度損傷所需的壓力較高。

圖10 玻璃纖維/乙烯基酯復合材料和層狀板在相同強度爆炸荷載作用下的損傷

4.1.1.2 EVE/PU分層材料

在相反的情況下（EVE/PU），當EVE在沖擊面上時(shí)，由于在板中觀(guān)察到的廣泛損傷，特別是在由玻璃復合材料構成的沖擊面，EVE的較弱的壓縮強度（與拉伸強度相比）。EVE/PU材料的沖擊面具有較高的分層面積，在圖20中表示為亮白色區域。

4.1.1.3 EVE/PU/EVE三明治結構

如圖11所示，EVE/PU/EVE夾層復合材料結構的損傷最小。爆炸載荷不斷增加的情況下，面板上的這些最小損傷主要出現在沖擊面上，在后表面沒(méi)有明顯的外部損傷。從宏觀(guān)上看，盡管這些三明治夾層板承受的壓力比普通編織復合材料高85%，比PU/EVE層狀材料高33%，但在EVE/PU/EVE夾層體系中沒(méi)有出現損傷。圖11同時(shí)顯示了夾層板在爆炸荷載作用下的側視圖，沒(méi)有因爆炸載荷而引起的明顯損傷或變形。

圖11 四個(gè)不同的EVE/PU/EVE三明治板在不同爆炸壓力作用下的狀態(tài)

三明治軟芯復合結構（EVE/PU/EVE）的損傷特性不同于硬芯夾層材料（PU/EVE/PU）。在相同的加載（1.17MPa）狀態(tài)下，PU/EVE/PU板在沖擊面出現皺紋，芯材出現剪切破壞（圖12）。雖然硬芯夾層結構的性能確實(shí)優(yōu)于單片復合材料，但由于這種結構的性能相對于軟芯結構較弱，因此進(jìn)行了幾次實(shí)驗，并將注意力集中在軟芯復合材料上，而非硬芯三明治結構。

圖12 PU/EVE/PU層狀夾層板在沖擊（1.17MPa）載荷作用下的側視和沖擊面狀態(tài)

4.1.2 微觀(guān)檢驗

采用Nikon SMZ顯微鏡對未損壞的材料和損壞材料的標本進(jìn)行無(wú)損微觀(guān)分析（圖13） ，標記為纖維和基體的區域表示縱向和橫向纖維方向，其中也包含不同比例的基體聚合物。

4.1.2.1 EVE復合

爆炸載荷下平編復合材料的損傷模式包括纖維斷裂和界面破壞。這些復合材料的拉伸性能優(yōu)于壓縮性能，這說(shuō)明了沖擊側的起裂和破壞方式，主要是在壓縮下。如圖14所示，縱向纖維的破碎和解理在這些板中觀(guān)察到。在圖中觀(guān)察到的縱向纖維束的直解理表明，纖維束在加載初期被壓縮擠壓，隨后由于后表面的反射波拉力，導致縱向和橫向纖維區域之間的界面破壞。

圖13 a PU-EVE復合結構未損傷界面區的微觀(guān)觀(guān)察b 復合結構中纖維基體區域的微觀(guān)結構

4.1.2.2 PU/EVE復合結構材料

PU層的加入提供了額外的損傷模式，因此增加了能量耗散機制。除了橫向和縱向纖維方向之間的界面層狀材料也具有與這些方向的PU界面，在顯微鏡下觀(guān)察到PU/EVE層狀材料的主要損傷模式是：纖維拉伸失效；基體方向失效（觀(guān)察到通過(guò)拉伸分離而產(chǎn)生的空洞）；界面失效。在PU/EVE中觀(guān)察到的損傷模式主要是拉伸破壞模式，在爆炸作用下，聚脲與橫向層的結合比聚脲與縱向纖維方向的結合要弱。

圖14 沖擊爆炸壓力為0.45 mpa的EVE復合材料損傷區的微觀(guān)觀(guān)察

圖15 PU/EVE層狀復合材料在0.62 MPa沖擊沖擊波作用下?lián)p傷區域的微觀(guān)觀(guān)察

4.1.2.3 EVE/PU復合結構

當載荷直接作用在EVE時(shí)，觀(guān)察到以復合材料為主的破壞模式（纖維破碎）（圖16）。此外，聚脲與纖維橫向的界面比聚脲與縱向的界面弱。在這些層狀材料中，微觀(guān)破壞模式以橫向和縱向纖維破碎等壓縮破壞模式為主。宏觀(guān)破壞模式也對應于復合材料板面的壓剪破壞。

層狀復合材料的強化或增強爆破性能可歸因于以下因素：聚脲層非線(xiàn)性和高速率特性引起的能量耗散；破壞聚脲復合界面的耗能。

但是，觀(guān)察特定取向（PU/EVE）的更好性能的解釋需要進(jìn)一步理解。在Hopkinson桿實(shí)驗中已經(jīng)觀(guān)察到，無(wú)論聚脲面對沖擊還是復合材料面臨沖擊，在單軸加載時(shí)，應力響應沒(méi)有顯著(zhù)性差異。但是，在分層板的爆炸加載中，當加載導致多維應力場(chǎng)時(shí)，還涉及一種額外的強化機制。聚脲層在沖擊面上時(shí)，與聚脲層直接接觸的復合板具有抗壓、抗剪破壞的加固作用。因此，該層的損傷起始將需要爆破的額外能量。當復合層直接面對初始爆炸時(shí)，情況就不是這樣了。沖擊面，其中第一層膜暴露于一個(gè)嚴重的壓縮區，就開(kāi)始了。隨著(zhù)爆炸荷載的增加，結構的整體強度逐漸降低，由于聚脲的加固是在拉伸區，而不是在壓縮區，這些層狀復合材料的爆破性能的提高要比聚脲面對爆炸荷載時(shí)要低得多。

這些結論在層狀復合材料中復合材料側的宏觀(guān)視覺(jué)（圖20） 和觀(guān)察到的微觀(guān)失效模式（圖5）15和16） 上得到了進(jìn)一步的證明。

4.2 實(shí)時(shí)測量

高速數字成像提供了爆炸荷載作用下復合材料、層狀和夾層板的實(shí)時(shí)撓度。這些照片典型的幀時(shí)在100到250微秒之間，曝光范圍從500到1000毫秒不等。（圖17-19）顯示了平織復合材料、EVE/PU和PU/EVE材料的實(shí)時(shí)撓度。平紋編織復合材料在0.6 MPa的入射壓力下失效，EVE/PU在0.76 MPa時(shí)失效，PU/EVE發(fā)生了相當大的視覺(jué)損傷，但沒(méi)有完全失效。

圖17 普通編織復合板在爆炸荷載作用下的典型實(shí)時(shí)形變（0.60MPa）

圖18 PU/EVE層狀復合板在爆炸荷載（0.75 MPa）作用下的典型實(shí)時(shí)形變

圖19 EVE/PU層狀復合板在爆炸荷載（0.75 MPa）作用下的典型實(shí)時(shí)形變

4.2.1 中心點(diǎn)的形變

用高速圖像計算了板的中心點(diǎn)撓度。圖21-23顯示了平面編織復合材料、層狀復合材料和夾層復合材料的撓度時(shí)間歷程。每種材料的輸入壓力都在圖例中引用。這些圖顯示，在層狀和夾層結構中所觀(guān)察到的撓度低于預期的平面復合材料結構的撓度。從這些圖形可以觀(guān)察到撓度的定量估計。需要注意的是，與層狀結構和夾層結構相比，普通復合材料的輸入爆破壓力要低得多。

圖20 圖中所示板為圖17-19中結構爆炸后圖在層狀材料中顯示了EVE復合材料的一面。

圖24a和24b提供了平面復合材料、層狀材料和夾層材料在相同或可比輸入爆炸荷載下單位厚度的歸一化撓度曲線(xiàn)。對于普通復合材料，“失效”點(diǎn)（撓度等于厚度的2.5倍）比在同等輸入爆炸荷載下的分層系統產(chǎn)生的時(shí)間要早。此外，對于聚脲面，也是在相同的輸入爆炸荷載下產(chǎn)生“破壞”點(diǎn)（撓度等于厚度的2.5倍）。爆破、破壞點(diǎn)根本沒(méi)有觀(guān)測到，板的宏觀(guān)損傷也證實(shí)了觀(guān)察到的實(shí)時(shí)趨勢，Vis-a-vis，PU/EVE結構顯示出比EVE/PU結構更低的損傷面積。

在相同的輸入爆炸荷載作用下，夾層結構的歸一化撓度小于1，很好地滿(mǎn)足了板的彈性極限。這里再次觀(guān)察到，與EVE/PU配置相比，PU/EVE配置在較晚的時(shí)間階段達到了失效點(diǎn)。延遲實(shí)現其中，分層結構之間的失效點(diǎn)可歸因于PU/EVE體系中存在的內部強化機制。

圖21 不同輸入爆破壓力下普通復合材料（EVE）的中心點(diǎn)變形

圖22 不同輸入爆破壓力下層狀材料的中心點(diǎn)變形

圖23 不同輸入爆破壓力下夾層材料的中心點(diǎn)變形

（A）平面和層狀復合材料 （B）分層和夾層復合材料

圖24 在相同爆破載荷下歸一化中心點(diǎn)形變

結束語(yǔ)

本實(shí)驗研究了聚脲/玻璃纖維復合材料制備的平面編織、層狀和夾層復合材料的抗沖擊性能和損傷行為，采用激波管對上述材料的簡(jiǎn)支矩形板施加沖擊沖擊載荷，用高速數字圖像實(shí)時(shí)記錄了板的響應，并在這些高速圖像中觀(guān)察了板的撓度和損傷行為。通過(guò)目視觀(guān)察、顯微觀(guān)察和詳細的尸檢分析，對沖擊后損傷進(jìn)行了表征，觀(guān)察到具有軟層的玻璃纖維復合材料具有較好的抗爆震性能，當軟材料面對爆炸時(shí)，這種抗爆炸性能的增強更為明顯。首先，實(shí)驗觀(guān)察到，在不同材料結構中，夾層材料采用夾軟層（PU）。在機織復合皮（EVE）之間具有最好的防爆性能。同時(shí)，層狀復合材料和夾層復合材料的重量比純復合材料高出60%。但是當聚脲面對爆炸時(shí)，層狀材料的性能提高了25%左右，夾層復合材料（EVE/PU/EVE）的爆炸性能提高了100%以上。

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