聚脲彈性體在爆炸防護中的研究進展

馮加和，董 奇，張劉成，楊 沙，胡榕希

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

近年來，國內外爆炸恐怖活動時有發生，對人民的生命財產安全造成了嚴重威脅［1］。防爆抗沖擊一直是軍事研究領域的熱點，軍事裝備對防護材料的抗爆性能和輕量化需求也越來越高。爆炸/沖擊載荷與靜態載荷和準靜態載荷相比，是一種高強度、低脈寬的高頻脈沖載荷，對防護結構的強度提出更高的要求［2-3］。一旦防護結構發生斷裂破壞，在沖擊波作用下，將產生大量的高速破片，造成更為嚴重的損失。然而目前大多數的防護結構采用混凝土和金屬結構，對爆炸沖擊波的防護作用有限，已不能滿足時代發展的需求，進一步提高防護結構的抗沖擊性能已刻不容緩［4］。

為此，國內外研究者不斷開發和應用新材料用于提高現有及新設計防護結構的抗爆能力，為防護結構設計提供新思路，逐漸發現具有優異理化性能的新型材料——聚脲彈性體（以下簡稱聚脲）防爆抗沖擊性能較好，在防護領域中的應用日漸廣泛。20世紀80年代以來，人們開始關注泡沫材料和纖維復合材料的沖擊防護性能，并對泡沫鋁、聚氨酯泡沫塑料、纖維復合材料及組成的復合結構的動態力學性能進行了研究，探索了其在爆炸防護領域中的應用［5-9］。雖然上述材料及其復合結構的應用能夠增加防護結構的抗爆炸/沖擊性能（以下簡稱為抗爆性能），但其制造工藝復雜、施工周期長、應用成本高等缺點使得應用場景有限。20世紀80年代中期以來，隨著高分子材料噴涂成型技術成熟，人們開始設想在防護結構表面直接噴涂高分子材料作為抗爆涂層，以達到增強防護結構抗爆能力的目的［10-11］。直到20世紀90年代，研究者們發現聚脲具有反應時間短、噴涂工藝簡單、粘接力強、靜/動態力學性能好等許多優異的性能，是一種優良的抗爆涂層材料，才開始并針對不同類型的防護結構開展研究［2，11］。

本文結合國內外聚脲在爆炸防護中的研究進展，梳理了聚脲的力學性能、聚脲在墻體、金屬及復合材料等不同結構中的防護性能和聚脲的吸能機理三個方面的研究熱點，指出了聚脲在爆炸防護領域應用的研究方向和發展趨勢。

2 聚脲彈性體材料力學性能

圖1 聚脲分子結構圖［13］Fig.1 A schematic of the simplified molecular-level structure of segmented polyurea［13］

聚脲是國外近年來剛剛興起的一種新型環保材料，由異氰酸酯組分（R—N＝C＝O）和氨基化合物（R—NH2）反應而成，分子結構如圖1所示［12-14］。聚脲化學性質穩定，理化性能優異，不僅可以通過調節異氰酸酯和氨基化合物的含量和種類，獲得不同力學性能的聚脲彈性體，還可以在成型過程中加入納米顆粒材料，獲得力學性能更優異、阻燃性能更好的聚脲復合材料，在爆炸防護領域中的應用越來越廣泛［15］。從圖1中分子結構可以看出，聚脲是一種微相分離的嵌段高分子材料，由硬段和軟段構成，通常硬段由氫鍵連接的強極性的含脲鍵（—NH—CO—NH—）鏈段和π型堆疊的芳香族鏈段組成，其玻璃態轉化溫度（Tg）在環境溫度之上；軟段由柔性較好的脂肪族鏈段組成，Tg在環境溫度之下，通常低于-30℃。因此，在常溫下聚脲是一種典型的微相分散的熱塑性交聯聚合物。顯微結構顯示，交聯網狀結構的硬段均勻分布在軟段基體之中，如圖 2 所示［14，16］。在合成聚脲時需要注意，離散相的形成不僅與Tg有關，還與軟段的分子量相關，僅當軟段的分子量超過特定閾值時，離散的硬段才會形成［17］。

圖2 原子力顯微鏡下包含軟段和硬段的聚脲微觀結構圖［16］Fig.2 A typical tapping-mode AFM phase image of polyurea showing its micro-segregated structure consisting of hard domains and a soft matrix［16］

圖3 聚脲在動態加載下的應力-應變曲線［19-20］Fig.3 The dynamic compression and tension stress-strain behavior［19-20］

聚脲高度復雜的內部微結構使得聚脲在宏觀上表現出優異的綜合力學性能。在靜態和準靜態拉伸或壓縮作用下，聚脲表現出超彈性材料的性質，拉伸強度高達28 MPa，斷裂伸長率最高可達1000%，撕裂強度達44～105kN·m-1［18］。在動態加載下，聚脲的力學行為變得更加復雜，典型的應力-應變曲線如圖3所示，主要表現為：（1）應力-應變曲線呈現非線性；（2）高度敏感的應變率效應和溫度效應；（3）高度的壓力相關性，這些性質均有利于聚脲防爆抗沖擊性能的提高［11，19-20］。Barsoum R G［21］在其專著中詳細總結了高分子彈性體的高應變率行為。研究表明，影響聚脲的力學性能因素眾多，與其自身軟硬段含量配比、加載速率、溫度等多種因素相關。隨著硬段的增加，聚脲由柔軟的橡膠態向硬質的塑料態轉變，聚脲的綜合力學性能隨著硬段含量的增加先增高后降低。Iqbal N等［22］在采用Hutsman公司的Surasec 2054異氰酸酯和JEFFAMINE D-230氨基化合物反應生成的聚脲研究硬段含量的影響時，發現當硬段含量在61%時聚脲綜合力學性能最優，抗爆性能最好。Sarva S S［20］和 Yi J等［23］在研究聚脲和聚氨酯的率相關性時發現，在低應變率（～0.001 s-1）時聚脲表現出橡膠的力學行為，在高應變率（～5000 s-1）聚脲表現出皮革的力學行為。Grujicic M等［24］在研究彈體侵徹聚脲-鋁板復合結構時發現聚脲彈性體在高速沖擊下的力學響應與試驗溫度非常相關，在較高的溫度下，聚脲呈現為橡膠態，在較低的溫度下，聚脲轉變為玻璃態。

聚脲的這些性質極大地加大了建立精確描述聚脲本構關系的難度，但這也是發展準確預測聚脲材料動態響應分析計算模型的基礎。在進行準靜態計算時，常常忽略聚脲微相分離材料的微觀特性，將聚脲看作內部材質均勻、各相同性材料，采用Mooney-Rivlin（MR）模型可獲得與實驗符合很好的結果，描述不可壓縮材料的MR本構方程如式（1）所示［25］。根據實際計算需要，式（1）可展開成具有2參數、5參數和9參數的本構方程，模型參數Cir可根據簡單的單軸拉伸或壓縮實驗確定［25］。

式中，W為橡膠應變能密度函數；Cir為材料常數，I1為第一應變不變量；I2為第二應變不變量。

為進一步描述嵌段高分子材料微相分離特性，Qi H J等［26］在描述聚氨酯在低應變率下的循環壓縮曲線時，將其本構方程分解為時間無關的超彈性平衡態和時間相關的粘彈-塑性的非平衡態的疊加，重點考慮了硬組分對應力-應變行為的影響，其本構關系如式（2）所示，其中第一項表示由軟段基體的超彈性行為產生的應力，第二項表示由于離散相存在顯現出粘彈-塑性而產生的應力。后續實驗研究表明此模型可成功模擬聚氨酯材料的時間相關的非線性大變形與循環軟化行為，該研究奠定了嵌段高分子材料本構模型的基礎［26］。

式中，T表示柯西應力張量，MPa；μr=nkΘ，k為Boltzmann常數，J·K-1；Θ為絕對溫度，K；n為單位體積內分子鏈數目；J=d et(FN)，FN為軟段基體引起的變形梯度，其中det（）表示矩陣的行列式值；N為兩交聯分子間剛性聯接數目為左柯西-格林張量；λchain為八鏈網絡中每鏈的伸長率L（）為朗之萬函數；υh為硬組分的體積分率；Le為彈性模量張量；FVe為右伸長張量；VVe左伸長張量。

然而，上述本構關系均未體現出聚脲的應變率效應。為此，Amirkhizi A V等［27］進一步從材料的非線性粘彈性行為中分離出體積熱彈性響應，結合時間-溫度等效機制與壓力效應，建立起基于時間、壓力、應變率相關的非線性粘彈性本構模型，其本構方程如式（3）所示，該模型能描述有限應變率范圍內的實驗結果。此后，Jiao T［28］和 Sayed El T M 等［29］在 Qi H J［26］的基礎上發展了適用于不同應變率的本構方程。Guo H等［30-31］先后分析了聚脲在-40～20 ℃溫度范圍0.001～12000 s-1應變率范圍內壓縮曲線，建立起聚脲的三維熱-粘-超彈性本構方程。其中以LiC等［32］提出的聚脲超粘彈性本構模型應用最為廣泛，該模型由低應變率下的超彈性本構模型（式（4））和高應變率下的非線性粘彈性本構模型（式（5））兩部分組成，把式（4）和式（5）結合起來可得到材料的超粘彈性應力代利輝等［33］結合動態拉伸試驗數據指出當應變小于0.25時，超彈性模型更符合材料的應力-應變行為，當應變在0.3～0.45變化時，粘彈性模型對試驗數據更為吻合?；谂c試驗結果比較發現，粘彈-超彈性模型在大范圍的高應變率下與試驗數據吻合較好［32］。

式中，λu=1+εu，εu為工程應變；I2為第二應變不變量；為伸長率；αi，ui，A1和A2為模型參數，可通過低應變率下的應力應變數據擬合獲得。

上述本構方程雖然可以描述聚脲的應變率效應，但是其形式復雜，模型參數眾多，對于工程應用來說過于復雜。為此，Mohotti D等［34］在MR模型基礎上，引入應變率效應，建立RDMR（Rate Dependent Mooney-Rivlin）模型，獲得可描述在中等應變率（＞400 s-1）下聚脲的應力-應變行為，RDMR本構方程如式（6）所示。后續，Wang H等［35］對RDMR模型進行修正，本構方程如式（7）所示，將其應用范圍擴展到高應變率（～7200 s-1）。商用軟件如LS-DYNA和ANSYS中包含成熟的MR模型代碼，應用RDMR模型［34］和 Wang H等［35］提出的模型只需稍加改進，即可實現含聚脲復合防護結構的有限元數值模擬計算。

通過上述研究者的努力，對聚脲的力學性能有了初步的認識，但對于復雜應力條件下的結果不是很好，要獲得更精確、廣泛適用的結果，不僅需要進一步綜合研究聚脲在多軸、多因素（包括應變率、壓力、溫度等）加載下的動態響應機理與失效模式，還需要獲得材料組分對聚脲力學性能的影響。目前，已有研究表明，聚脲的力學行為主要與其軟硬段配比相關［22，36］。因此，后續可進一步建立基于軟硬段含量配比的聚脲本構關系以解決聚脲成分多樣性問題。

3 聚脲彈性體在爆炸/沖擊防護中的應用

3.1 聚脲彈性體對墻體結構的防護作用

在沒有加固的情況下，混凝土砌體墻結構脆性大，抗彎強度低，基本不能吸收應變能，一旦遇到恐怖襲擊，后果極其嚴重。為此，美國空軍實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）從1995年開始選擇使用碳纖維和芳綸纖維試驗增強混凝土砌體墻的抗爆性能，但纖維復合材料生產成本高、施工程序復雜，不利于大面積使用［37］。從1999年開始，AFRL開始探索采用聚合物材料對砌體墻加固的可行性。在進行這項研究時，AFRL將選擇的21種聚合物按成型工藝分為擠壓成型、噴涂成型和刷涂成型三類，從化學性質、力學性能、燃燒性能等多個方面綜合進行評估，篩選出最適合的砌體墻修復材料是聚脲［37］。2001年，AFRL進行了多達12次爆炸試驗，以評估聚脲在爆炸沖擊下對墻體加固的有效性。實驗發現，在砌體墻背爆面（沖擊波直接作用的墻面為迎爆面，墻的另一面為背爆面）噴涂一層聚脲時，能夠有效增強砌體墻的抗爆性能，試驗結果如圖4所示。AFRL在研究中還發現聚脲層位置對結構抗爆性能的影響較大，相對于在墻體背爆面涂覆6.4 mm厚聚脲來說，分別在墻體迎爆面和背爆面涂覆3.2 mm厚的聚脲彈性體具有更好的抗爆效果［38］。后來蔡桂杰等［1］發現，聚脲涂覆混凝土墻體的迎爆面和背爆面均能起到增強抗爆性能的效果，但背爆面效果優于迎爆面。當涂覆背爆面時，聚脲層在3～9 mm厚度變化時增強效應隨厚度增加而增強［1］。近年來，在 Iqbal N等［22］在實驗中發現當聚脲層位于背爆面時，隨著聚脲層增加，混凝土/聚脲復合結構的抗爆性能越好。Davidson J S［39］和 Moradi L G等［40］在 AFRL的基礎上進一步研究了聚合物材料增強砌體墻在爆炸沖擊作用下的失效機理時發現位于墻體背面的薄層聚合物能夠有效地包覆墻體在爆炸作用下產生的致命破片，將墻體二次斷裂的可能性降到最小。Davidson J S等［39］認為在增強抗爆性能方面，聚合物的延伸能力比強度更重要，優化聚合物與墻體之間的粘接強度、應變能吸收能力和聚合物與主體框架的重疊面積之間的平衡，可以得到更加有效的加固體系。由此可見，在采用聚脲進行墻體加固時，普遍認為聚脲位于背爆面優于迎爆面。

圖4 聚脲涂層對墻體的抗爆性能影響［37］Fig.4 Comparison of failure of masonry wall with and without polyurea elastomer［37］

此后，陸續有不少學者針對聚脲及其復合結構增加墻體抗爆性能進行了研究。美國陸軍工程大學的研究者分別采用1 mm厚的纖維復合材料、1 mm鍍鋅鋼板和3.2 mm聚脲涂層置于墻體背爆面用于加固砌體墻。在試驗的爆炸載荷下，盡管三種加固方式的墻體均發生了失效，但纖維復合材料和聚脲涂層加固的墻體能夠保持更好的完整性，成功將破片和飛屑包覆在結構體內，避免屋內人員受傷［41］。韓國延世大學 Ha J H等［42］在采用置于背爆面的碳纖維板、聚脲涂層和碳纖維/聚脲復合材料板加強鋼筋混凝土平板的試驗中，通過測試最大位移、殘余位移和計算能量吸收綜合評估抗爆性能時發現采用三種材料加固后的墻體其最大位移分別減少了21.4%、15.7%和37.4%，能量吸收分別是未加強鋼筋混凝土的1.0倍、1.15倍和1.6倍。綜合來看，碳纖維/聚脲復合材料對鋼筋混凝土的加強效應最好。

相對于試驗研究，理論分析和數值計算可以以更低的成本、更高的效率獲得更詳細的參數，預測結構的動態響應與失效模式。Hoo Fatt M S等［43］受到AFRL試驗的啟發，首次將受爆炸沖擊載荷的聚脲增強墻體簡化成單自由度模型。理論分析發現，在砌體墻這種脆性結構中，爆炸產生的能量主要被墻體的彎曲變形和墻體內薄膜應力引起的形變吸收，聚脲涂層最大的作用是保持墻體的完整性，并指出造成這種結果的主要原因是在爆炸作用過程中，墻體的模量僅僅只有墻體初始模量的5%。這種基于彎曲應力和薄膜阻力的單自由度模型具有一定的使用局限性，當墻體的擾度為1～2倍墻體厚度時其計算結果較好。隨著計算機技術和有限元軟件的發展，使得采用計算機模擬防護結構在爆炸沖擊下的動態響應與失效過程成為可能［43］。Ghaderi M 等［44］采用 ABQUS 軟件對纖維層、聚脲涂層兩種不同材料增強砌體墻抗爆性能進行數值模擬研究，結果顯示聚脲涂層增強效果明顯優于纖維層，聚脲涂層能夠有效阻止墻體的垮塌與破片的飛散。當墻體兩面噴涂15mm聚脲涂層時，相較于未涂覆聚脲的墻體其能承受的極限沖擊載荷（墻體出現裂紋時的比例距離）提高了859%。雖然數值計算方法高效、廉價，但目前采用數值計算方法模擬爆炸沖擊下聚脲高分子材料增強砌體墻還有很多難題需要解決，比如缺乏磚塊在高應變率下的本構模型、磚塊之間墻灰的粘接與分離、聚脲高分子材料與墻體之間的粘接效應等方面的基礎研究。

3.2 聚脲彈性體對金屬結構的防護作用

在金屬結構防護領域，聚脲彈性體不僅可噴涂在普通民用防護結構表層起防腐耐磨功效，更重要的是可涂覆在裝甲車輛、海軍艦船等軍用裝備中起爆炸與沖擊防護功能。為此，美國、澳大利亞的高校和國防機構對聚脲增強鋼板抗沖擊性能進行了大量的研究。早在2006年，加州理工大學Amini M R等［45-49］采用彈道和反向彈道兩種沖擊實驗裝置，進行了一系列針對聚脲涂層增強圓形鋼板防護性能的沖擊實驗，系統研究了聚脲涂層處于不同位置的防護效果。實驗表明當聚脲涂層位于鋼板的背爆面（該種結構采用“鋼板/聚脲”表示）時，有助于沖擊能量的吸收和耗散，從而提升鋼板的防護能力；然而，當聚脲涂層位于迎爆面（該種結構采用“聚脲/鋼板”表示）時，反而會增強鋼板的沖擊和破壞，實驗結果如圖5所示。Amini M R指出造成這種原因主要是在聚脲/鋼板結構中，聚脲涂層遭遇沖擊波被壓縮，其剛度可增加10～20倍，從而可以改善與鋼板的阻抗匹配性，使得更多的能量傳遞到鋼板上。趙鵬鐸等［50］在采用鋼板的塑性變形衡量聚脲涂層的抗爆效果時也發現背爆面效果優于迎爆面，這與Amini M R獲得的結論一致，并進一步發現在平板試驗中發現迎爆面聚脲涂層的存在可改變爆炸載荷下鋼板的破壞形式。

圖5 聚脲層位置對鋼板抗沖擊性能的影響［48］Fig.5 Influence of the position of polyurea layer on shock resistance of steel plate［48］

Amini M R等［48］的研究表明，采用聚脲涂層增強鋼板抗爆能力時，聚脲層的位置對其影響較大。隨后，陸續有研究者進行多種工況下聚脲增強鋼板抗爆性能的研究，普遍認同聚脲涂層位于背爆面時能夠增強鋼板的抗爆性能，但對位于迎爆面時聚脲涂層的作用研究者們還未達成一致。Rotariu A［51］和趙鵬鐸等［50］發現聚脲涂層位于迎爆面時顯著減弱鋼板的抗爆性能，且在相同面密度和比例距離下，減弱效果隨著聚脲層厚度的增加而增加；Chen C C等［52］將聚脲-鋼板復合結構擴展為鋼板/聚脲、聚脲/鋼板和聚脲/鋼板/聚脲三種復合材料結構，通過數值模擬研究發現在相同面密度和爆炸載荷下，三種復合結構的抗爆性能沒有明顯區別，但聚脲/鋼板復合結構傳遞到鋼板的動能最小，鋼板/聚脲復合結構傳遞到鋼板的動能最大；甘云丹等［53］通過數值模擬和縮比試驗研究發現在相同面密度下，聚脲/鋼板結構的抗爆性能優于單層鋼板，聚脲（0.5 cm）/鋼板（2 cm）與單層鋼板（2.06 cm）相比，抗爆性能提高了20%。不同研究者的研究條件和結果如表1所示，從表1可以看出，厚度比和比例距離的減少更有利于增加聚脲/鋼板復合結構的抗爆性能［50-53］。Samiee A等［54］采用數值模擬沖擊加載時同樣發現，在相同面密度條件下，隨著聚脲層厚度增加，聚脲層位于迎爆面的防護效果逐漸減弱，直到有增強破壞作用，但聚脲層位于背爆面時，聚脲層厚度變化對抗爆性能影響不大，且優于迎爆面。由此可見，對于聚脲-鋼板雙層復合防護結構來說，聚脲層位置的影響對防護結構抗爆性能的影響較大，總的來說，聚脲層位于背爆面的抗爆性能優于迎爆面。在聚脲層位置和復合結構面密度確定的情況下，聚脲與鋼板的相對厚度將進一步影響復合結構的抗爆性能，并且存在一個最優厚度比使得復合結構在爆炸加載下的變形小。當然，影響聚脲-鋼板復合結構的抗爆性能的影響因素眾多，除去厚度比、比例距離外，還與沖擊加載方式、聚脲涂層與鋼板底層粘接強度等因素有關。代利輝等［33］發現在水下爆炸載荷作用下，聚脲/鋼板復合結構的抗爆性能明顯優于鋼板/聚脲復合結構，這與上述試驗結果明顯不同；Ackland K［55］和代利輝［33］指出聚脲與基材之間的粘接強度對防護結構的抗爆性能影響較大，當粘接強度較小時，在爆炸沖擊作用下，位于背爆面的聚脲涂層容易脫落并分解成碎片，造成二次傷害。

表1 不同研究者的試驗條件與結果對比Table 1 Comparison of conditions and results of the different researchers

硬/軟/硬的三明治夾芯結構是一種常見的輕質抗沖擊結構。聚脲具有質量輕、抗沖擊能力強的特點，根據復合結構設計的普遍認識，將其放置在兩塊鋼板之間，可能具有較好的抗爆炸沖擊效果。宋彬等［56］應用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對無夾層、聚脲夾層和橡膠夾層的三種防爆罐在1.2 kg TNT爆炸載荷作用下的動態響應過程進行數值計算時發現，在相同的爆炸載荷下，無論變形或能量吸收方面，聚脲彈性體夾層防爆罐都優于無夾層和橡膠夾層防爆罐。王小偉等［57］在研究不同聚脲彈性體厚度對鋼板/聚脲/鋼板復合夾層結構抗爆性能影響分析時發現，當控制總厚度或總質量不變時，均存在最優值，其厚度比分別為1.4∶1.2∶1.4和 0.903∶3.5∶0.903，沖擊波衰減率分別達到 85.6% 和 81.87%。翟文［58］和戴平仁等［59］通過數值計算結合試驗研究發現聚脲作為夾層時，防護效果較好，具有承受二次抗爆轟的能力，在防護結構發生剪切破壞時，能有效抑制鋼板的擴孔。上述表明聚脲是一種吸能效果很好的夾芯材料，通過合理的結構設計，可以獲得輕質、高強的夾芯防護結構。

一般來說，爆炸事故經常伴隨著高速破片的產生，這也對爆炸防護結構的設計提出了更高的要求，不僅要防護沖擊波，還需要防護破片的侵徹。并且，目前已有一部分試驗證明聚脲作為一種高應變率相關的粘彈性高分子材料，運用在金屬結構中，對破片的侵徹也具有較好的防護作用［60-64］。在低速（～15 m·s-1）破片沖擊下，聚脲-鋁復合結構可避免破片侵徹，減少金屬結構的塑性變形［60］。在高速（～1000 m·s-1）破片沖擊下，聚脲-鋁復合結構可降低破片侵徹金屬靶板后的剩余速度，改變靶板侵徹失效模式，抑制靶板貫穿擴孔效應，單位面密度的聚脲材料減少剩余速度的貢獻遠遠高于單位面密度的鋁合金材料，且在不同的復合結構中存在一定的差異，如圖6所示，圖中根據復合結構中金屬板厚度和數量不同將其分為A、B兩組［61］。但是，根據目前研究情況來看，聚脲位置對破片侵徹防護效果的影響與沖擊波防護效果的影響相比存在較大的差異，位于迎彈面的聚脲涂層有利于結構抗侵徹性能的提升，而位于背彈面的聚脲涂層有損于結構抗侵徹性能的提升，位于中間夾層的聚脲涂層抗侵徹性能最優異［61-62］。

圖6 不同復合結構中單位面密度聚脲材料的對子彈速度的減少量［61］Fig.6 Velocity reduction per unit areal density of polyurea coating for configurations［61］

上述研究表明，采用聚脲涂層可以增強鋼結構的抗爆性能，有效降低復合防護結構的變形。對于沖擊波的防護，聚脲位于背爆面的抗爆效果較好；對于破片侵徹的防護，聚脲位于迎彈面的抗爆效果較好。當聚脲作為夾層時，鋼板/聚脲/鋼板復合結構具有更好的抗爆性能。此外，影響聚脲-鋼板復合防護結構抗爆性能的因素還有厚度比、比例距離、沖擊加載方式和界面粘接強度等影響，但目前的研究尚不構成體系，未完全揭示影響規律，難以形成指導性的設計方法與標準［65］。

3.3 聚脲彈性體對復合材料結構的防護作用

纖維復合材料質量輕、強度高，泡沫材料平臺應力區域長，緩沖吸能效果好，將纖維復合材料作為面板，泡沫材料作為夾芯組成的三明治夾芯結構兼具兩種材料的性能，具有很好的抗爆、抗沖擊性能，在沖擊防護領域得到廣泛應用。近年來人們發現，在纖維復合材料泡沫夾芯結構中引入聚脲層能夠進一步增強復合結構的抗爆能力。

早在2006年，Bahei-EI-Din Y A等［66］采用數值模擬的方法研究了傳統和改進的兩種三明治夾芯結構在爆炸載荷作用下的動態力學響應及能量吸收能力，結構如下圖7所示。結果表明，相對于傳統的三明治夾芯結構，增加聚脲夾層的改進型三明治夾芯結構在面板變形量、芯層泡沫破壞程度、能量吸收能力都得到了很大的提高。前面板最大變形量減少了30%，后面板最大變形量減少了18%，泡沫芯層變形量減少了80%，系統的最大動能減少了約43%。經過分析Bahei-EI-Din Y A等［66］指出聚脲夾層提高三明治夾芯結構抗爆性能的原因有兩方面，一方面是聚脲有較強的應變率效應，在高速沖擊下提高了整個芯層的剛度，另一方面是聚脲層通過非彈性變形吸收了大量的能量［65］。在后續采用等質量設計時，改進型的三明治夾芯結構同樣具有更好的抗爆性能［67-68］。

圖7 傳統三明治復合結構和改進三明治復合結構截面［66］Fig.7 Cross-sections of conventional and modified designs of sandwich plates［66］

隨后，Gardner N等［69］在美國海軍項目的資助下研究聚脲夾層位置對泡沫夾芯纖維層合板抗沖擊性能的影響。采用高速攝影、DIC測量技術等發現聚脲夾層的位置顯著影響著泡沫芯層壓縮、坍塌及界面分層的失效模式及失效時序。當聚脲層位于梯度泡沫和纖維背板之間時，有助于沖擊能量的吸收和耗散，從而提高泡沫夾芯結構的抗沖擊性能；當聚脲層位于梯度泡沫與纖維面板之間時，反而會增強泡沫夾芯結構的沖擊與破壞，這與Amini M R［46］在鋼結構防護中獲得的結論較為一致，試驗結果如圖8所示［69］。Gardner N等［70］的試驗研究工作較為系統，并進一步詳細研究了上述復合結構中泡沫梯度對結構抗沖擊性能的影響規律。

圖8 不同復合結構在沖擊作用下的破壞模式［69］Fig.8 Comparison of failure of different composite structures after being subjected to high intensity blast load［69］

2011年，Tekalur S A等［71］采用沖擊管加載的方式評估了單層玻璃纖維/聚乙烯脂復合材料（EVE）、聚脲-玻璃纖維/聚乙烯脂復合材料層狀復合結構（PU/EVE，EVE/PU）和聚脲-玻璃纖維/聚乙烯脂復合材料三明治夾芯復合結構（PU/EVE/PU，EVE/PU/EVE）的抗爆性能及破壞模式。發現相對于單層EVE板來說，復合結構具有更好的抗爆性能，軟質夾芯結構EVE/PU/EVE的抗爆性能最好。雖然復合結構的質量比單層EVE增加60%，但軟質夾芯結構EVE/PU/EVE的抗爆性能增加100%。兩種層狀復合材料結構抗爆性能相差不大，PU/EVE略優于EVE/PU，但聚脲位置的變化會引起EVE-PU復合結構失效模式的改變。通過顯微鏡觀察破壞后的試件發現聚脲位置變化會改變層狀復合結構的破壞形式，PU/EVE結構的破壞形式主要是玻璃纖維拉伸斷裂和纖維分層失效；而EVE/PU結構主要是纖維和樹脂的壓潰破壞失效。

爆炸沖擊波在水介質中的衰減速度遠遠低于在空氣介質中的衰減速度，水下結構的沖擊防護更加困難，這也是艦船、潛艇等水中軍事裝備急需解決的困難。為提升艦船、潛艇等水中結構的防護性能，2013年，Leblanc J等［72］在美國海軍的資助下研究玻璃纖維/聚乙烯脂-聚脲復合結構在水下爆炸的抗爆性能時發現聚脲層位于玻璃纖維/聚乙烯脂復合殼體背爆面時更有利于提高復合結構的抗爆性能；當聚脲涂層位于玻璃纖維/聚乙烯脂復合殼體迎爆面時，隨著聚脲涂層厚度的增加，復合結構抗爆性能先增加后減少。聚脲-纖維復合結構在爆炸沖擊下位移的動態變化如圖9所示。水中爆炸時，當炸藥與防護結構距離較近時，不僅要防護沖擊波作用，更重要的是防護氣泡沖擊作用。為此，2017年，Gauch E等［73］在充水容器中研究了玻璃纖維/環氧樹脂-聚脲復合圓柱殼體在近場水中爆炸下的抗爆性能，研究發現在玻璃纖維/環氧樹脂圓柱殼體外面噴涂聚脲涂層，能顯著降低結構破壞程度，提高結構抗爆性能，隨著聚脲涂層的增加，抗爆性能增強。

圖9 復合結構的位移場演化［72］Fig.9 Full-field deformation evolution of composite structure［72］

相對于掩體、船體和裝甲板等防護結構來說，個人穿戴防護產品對結構的輕質高強性能要求更高。在戰斗中，頭盔是最重要的個人防護產品，為減輕作戰人員的頭部負載，多采用非金屬復合結構設計，其中纖維復合材料常被選擇作為外殼材料，EVA（乙烯/乙酸乙烯酯共聚物）作為緩震內襯材料。為進一步提高頭盔的防護性能，美國克萊姆森大學的Grujicic M等［74］將聚脲作為頭盔內襯，采用數值計算方法分析沖擊波/頭盔組件相互作用的復雜過程，詳細比較聚脲和EVA對頭盔緩震效果后發現聚脲增強頭盔具有更好的緩震效果，可以更加有效的減輕爆炸引起的頭部負荷，數值計算結果如圖10所示。在獲得聚脲材料本構關系之后，Grujicic M［75］采用理論分析的方法也說明了聚脲材料應用在頭盔內襯具有分散、衰減和駐留沖擊波的能力。Ramirez B J等［76］參照 NOCSAE（National Operating Committee for Standards in Athletic Equipment）要求對足球運動員防護頭盔進行了抗沖擊試驗，發現將頭盔內襯由丙烯晴泡沫替換成聚脲彈性體泡沫，其抗沖擊能力提高25%。

圖10 沖擊波作用下不同內襯頭盔保護下大腦中心截面壓力分布（作用時間：0.82 ms）［75］Fig.10 Pressure distribution over the mid-coronal section in brain upon protection of different helmets（after 0.82 ms）［75］

上述多種應用場景的研究發現，在纖維/樹脂復合材料結構中引入聚脲形成復合結構，有利于防護結構抗爆性能的提高，可進一步提高防護結構的輕質高強特性。對于層狀復合材料防護結構來說，聚脲位于背爆面和迎爆面均能提高復合材料結構的抗爆性能，但聚脲層的位置影響復合結構抗爆性能的增加和纖維/樹脂復合材料的失效模式，位于背爆面對防護結構的提升明顯優于迎爆面。同時，現有研究表明，相比于等面密度的層狀復合防護結構，聚脲層位于中間的夾層復合防護結構具有更好的抗爆性能。然而，由于纖維/樹脂復合材料、聚脲以及泡沫等新型輕質防護材料本構模型復雜，目前的研究多集中于對于試驗現象的定性描述，缺少對試驗過程的定量描述，未來需要建立爆炸沖擊作用下含聚脲、復合材料的復合防護結構的數學模型與數值計算模型，定量描述復合防護結構在爆炸沖擊作用的動態響應過程。

4 聚脲彈性體的吸能機理

上述研究證明，在進行結構設計時，合理應用聚脲彈性體能夠增加結構的防爆抗沖擊性能，但如果應用不合理，反而會減弱防護結構的抗爆性能。因此，獲得聚脲彈性體衰減沖擊波和防破片侵徹的機理，用于科學的指導含聚脲材料復合防護結構的設計是非常必要的。Grujicic M［77］首先指出聚脲對于破片的防護主要是軟段在起作用，對于沖擊波的防護主要是硬段的貢獻。王小偉等［57］先應用彈性應力波傳播理論從宏觀上分析了鋼板/聚脲彈性體/鋼板夾芯結構應力波衰減的原因，指出由于聚脲夾層的存在，最后透射到背板的應力波強度僅為面板入射應力波的0.0484倍。隨后，人們開始從材料狀態變化方面探索聚脲彈性體的吸能機理。Roland C M等［78］發現在侵徹過程中聚脲形態發生了由橡膠態向玻璃態的轉變，認為這最有可能是聚脲彈性體增強結構抗沖擊性能的機理，他們通過調節聚脲的化學組分，改變聚脲的玻璃態溫度，當玻璃態溫度稍稍高于試驗溫度時，聚脲增強效果更好，這一結論也被Grujicic M等人［24］證實。然而研究者們發現影響聚脲彈性體吸能特性的因素很多，對于聚脲彈性體衰減沖擊波的機理目前還尚未達成一致，主要有以下幾種吸能機理。

（1）沖擊波促使軟硬段的重排、結晶與硬化

一般來說，與小分子材料和無機材料不同，高分子材料因其分子結構、成型工藝、玻璃態溫度（Tg）和熔融溫度（Tm）不同，具有不同的結晶程度。當高分子材料處在Tg～Tm溫度范圍內，分子能量超過結晶活化能時，高分子材料趨向于結晶硬化［79］?？缭浇Y晶活化能屏障，通常通過提高溫度增加分子鏈段的內能，然而外部機械作用也能達到同樣的效果，這種現象被稱作應變誘導結晶。在外部機械作用下，非結晶相的分子鏈段開始運動，沿著主方向規則重排，從而降低高分子材料的結構熵、增加自由能促進結晶過程［79-81］。Yeh F［81］和 Sheth J P［82］等人通過廣角 X 射線衍射儀（wide-angle X-ray diffraction，WAXD）清楚地觀察到聚脲軟段的應變誘導結晶過程，進一步研究表明，提高軟段分子鏈段中R’的分子量、降低分子交聯程度有利于軟段的結晶，從而提高材料的衰減沖擊波的能力。雖然聚脲彈性體硬段的玻璃態溫度在試驗溫度之上，但聯合WAXD和小角X射線散射儀（small-angle X-ray scattering，SAXS）仔細觀察，發現在沖擊加載下，硬段同樣會發生分子鏈段的重排與結晶現象［81-82］。

（2）沖擊波促使氫鍵的斷裂與重組

如圖11所示，聚脲分子內脲鍵（—NH—CO—NH—）之間通過雙齒型氫鍵（鍵能～21.8 kJ·mol-1）連接，在爆炸/沖擊載荷作用下，分子鏈段發生移動，氫鍵遭到破壞，吸收能量；沖擊波過后，分子鏈段停止相對運動，在材料內部形成更多數量的氫鍵，釋放能量，這樣通過氫鍵的斷裂與重組，達到吸收和消散沖擊能量的目的［11，83］。

圖11 分子鏈段之間的氫鍵連接［11］Fig.11 Hydrogen bonding within the urea linkages in polyurea［11］

（3）材料內部的粘性耗散

與其他工程材料不同，常溫下聚脲的應力-應變曲線與加載時間相關，是一種典型的粘彈性材料。聚脲材料的粘性特性一方面使其具有高應變率效應；另一方使得聚脲在加卸載過程產生粘性耗散，吸收沖擊能量，這在聚脲的循環加載試驗中可以明顯看出相鄰兩次加卸載曲線之間的滯回面積，該面積與材料能量吸收能力成正比［11，84］。

（4）卸載波和加載波的相互作用

爆炸沖擊屬于高速動態應力加載過程，是以應力波的形式在介質中進行傳播的。在此過程中，有加載就必然有卸載。在均質材料的彈性加載過程中，加載波和卸載波均以彈性波速進行傳播，且卸載波發生于加載波之后，卸載波不與加載波發生相互作用。在均質材料的彈塑性加載過程中，卸載波速大于加載波速，在距離加載端一段距離后，卸載波追趕上加載波，對加載波進行削弱［85］。然而，在常規均質材料中，卸載波的波速只是稍大于加載波，追上加載波需要很長的距離，在一般的防護結構中很難實現。聚脲作為一種微相分離材料，在爆炸沖擊加載下，硬段迅速聚集、壓實，使得加載波速遠遠小于均相聚脲中的波速，硬段高度壓實，材料剛度增加，卸載波大于均相聚脲中的波速。卸載波和加載波之間較大的速度差，使得卸載波能在很短的距離內追上加載波，對加載波進行削弱，達到消散能量的作用，卸載波與加載波的相對運動與相互作用如圖 12所示［11］。Grujicic M 等［86］采用大尺寸顆粒分子模擬（coarse grained mocular level simulation）方法在微觀尺度上也驗證了這一結論，并指出應力波波速與聚脲材料微觀結構關系非常大，通過改變聚脲軟段的含量，獲得基于消散能量上聚脲軟段的最優含量。這說明通過材料設計，可以優化聚脲的抗爆炸/沖擊性能。

圖12 卸載波與加載波的相對運動與相互作用過程［11］Fig.12 Shockwave capture and neutralization in phase separated materials［11］

綜上，目前主要從宏觀和微觀兩個層面研究聚脲彈性體的吸能機理。宏觀吸能機理比較明確，普遍認為是應力波在聚脲與結構表面透反射和聚脲材料應變率效應形成的；但對于微觀吸能機理還未達成一致，未來需要應用更先進的測試手段，定量研究聚脲在爆炸沖擊作用下材料狀態變化及應力波傳播規律，明確聚脲的微觀吸能機理，為優化材料設計提供指導。

5 結語與展望

基于材料力學性能、防護結構應用研究和吸能機理三個方面總結了國內外聚脲彈性體在爆炸防護中應用的研究進展，重點討論了聚脲應用在墻體、金屬和纖維復合材料防護結構中對抗爆性能的影響。獲得了一些基礎認識，達成聚脲在爆炸防護中具有很好的應用潛力的共識，但由于各自研究體系差異、現有測試手段不足、研究深度有限等原因，目前對聚脲在爆炸沖擊防護中應用的研究還缺乏體系性，不能準確指導防護結構設計?；诂F狀，建議未來對聚脲彈性體增強抗爆性能的研究重點包括以下幾個方面：

（1）獲得基于軟硬段含量配比的聚脲動態力學行為及本構關系，精確描述聚脲在靜/動態加載下的力學行為。

（2）系統研究聚脲層位置、聚脲層相對厚度、界面粘接強度和沖擊載荷性質等因素對防護結構抗爆性能的影響規律。

（3）應用更先進的檢測手段，觀察聚脲在沖擊加載下材料狀態的變化及應力波的傳播規律，進一步明確聚脲的微觀吸能機理。

（4）未來還需重點關注防護結構的尺寸效應，確保防護結構設計的可靠性。