鄭盼，朱錫，李永清

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

SIO2氣凝膠氈/陶瓷棉/高強聚乙烯多層復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能試驗

鄭盼，朱錫，李永清

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

為研究高強聚乙烯在高溫條件下使用的適用性，以及SiO2氣凝膠氈和陶瓷棉的隔溫性能，提出SiO2氣凝膠氈/陶瓷棉與高強聚乙烯緊密貼合無間隙復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的方案，對結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬標(biāo)準(zhǔn)火源的耐火試驗研究，分析耐火材料的失效模式以及不同耐火材料厚度對夾芯結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，探討復(fù)合結(jié)構(gòu)艙壁在滿足耐火要求的前提下面密度和結(jié)構(gòu)整體厚度的實用性。試驗結(jié)果表明：適當(dāng)厚度的SiO2氣凝膠氈和陶瓷棉均具有較好的耐火隔溫性能，適當(dāng)增加隔溫層厚度能明顯提高復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)效果；達(dá)到相同隔溫效果所需要的SiO2氣凝膠氈比陶瓷棉薄，就面密度和結(jié)構(gòu)整體厚度而言，SiO2氣凝膠氈更有優(yōu)勢；在帶陶瓷的夾芯結(jié)構(gòu)中，陶瓷也能起到一定的隔溫作用，綜合優(yōu)化此復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)能有效提高艦船艙壁的防護(hù)性能。

耐火材料；抗彈；SiO2氣凝膠氈；高強聚乙烯

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1336.018.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：鄭盼，朱錫，李永清.SIO2氣凝膠氈/陶瓷棉/高強聚乙烯多層復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)隔熱性能試驗［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：78-83，99.

ZHENG Pan，ZHU Xi，LI Yongqing.Experiment on the thermal insulation performance of multi-layer composite ballistic structures by silicate aero-gel/ceramic/high-strength polyethylene［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：78-83，99.

0　引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，半穿甲導(dǎo)彈通過設(shè)置延時引信，可使戰(zhàn)斗部穿透船體外板后在艙室內(nèi)部起爆，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高速破片會對艦船結(jié)構(gòu)和人員構(gòu)成嚴(yán)重威脅。而聚乙烯纖維復(fù)合材料作為新型復(fù)合材料，具有重量輕、抗彈性能優(yōu)異等特點［1-2］，孫曉明等［3-8］對高強聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合抗爆艙壁進(jìn)行了近距空爆下變形破壞模式的試驗研究，結(jié)果表明，高強聚乙烯具有很好的抗穿甲性能和吸能性能，適當(dāng)增加復(fù)合抗爆艙壁夾芯層厚度和質(zhì)量有利于其整體抗彈性能的提高。

然而，高強聚乙烯受溫度的影響明顯，其在環(huán)境層溫度達(dá)到150℃后會逐漸軟化，持續(xù)高溫會使其脫層皺縮燒蝕，從而降低抗彈性能。陶瓷棉和SiO2氣凝膠氈均具有良好的耐火性能［9］。王超等［10］對陶瓷棉硅酸鋁纖維在高溫環(huán)境下的隔熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)采用陶瓷棉硅酸鋁纖維高溫隔熱時，在極短的時間內(nèi)就可以達(dá)到溫度平衡，其不僅具有低熱導(dǎo)率，同時還具有一定的抗輻射能力；譚大力等［11］針對SiC陶瓷和SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)的隔熱性能研究表明，SiC陶瓷和SiO2氣凝膠氈組合結(jié)構(gòu)具有很好的隔熱性能，綜合利用該組合結(jié)構(gòu)能有效保護(hù)金屬背襯結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代艦船向輕量化方向的發(fā)展，用低質(zhì)量、高強度的聚乙烯板代替厚重的船用裝甲，在達(dá)到相同防護(hù)效果的同時，對減小艙壁結(jié)構(gòu)的整體面密度具有重要意義。

基于上述分析，為探討復(fù)合艙壁在不同耐火材料組合下對高強聚乙烯保護(hù)的影響，本文擬以陶瓷棉/SiO2氣凝膠氈為隔溫層，陶瓷片和高強聚乙烯板為抗彈層，船用鋼為前/后面板，制作復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的局部模型，參照A60標(biāo)準(zhǔn)的試驗條件對模型進(jìn)行耐火試驗研究，并分析耐火層的失效模式以及耐火層厚度變化對夾芯結(jié)構(gòu)溫升變化的影響規(guī)律。

1　試驗設(shè)計

1.1試驗火源

按照A60標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)定的時間下，爐溫的升溫曲線應(yīng)是由下列各溫度點所連接的一條光滑曲線［12］：自室溫20℃開始，5 min時576℃，10 min時678℃，15 min時739℃，30 min時842℃，60 min時945℃。在本研究中，通過優(yōu)化選擇電爐功率大小并進(jìn)行測試試驗，最終確定了試驗火源。圖1所示為實測試驗爐溫與標(biāo)準(zhǔn)火源的溫度曲線。由圖可知，在試驗過程中所使用的火源溫度比標(biāo)準(zhǔn)火源高50～100℃，試驗條件較標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗更高。

圖1　試驗火源溫度曲線Fig.1Temperature curves of researching fire

1.2試驗方法

參照GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》中A級防火等級要求［9］開展試驗。采用鋼板（5 mm）+隔溫層+防彈層+隔溫層+鋼板（10 mm）的1∶1局部防火夾芯復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)單元開展耐火性能試驗。在試驗過程中，火源置于夾芯復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)一側(cè)，采用熱電偶測試記錄夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)表面、內(nèi)部的溫升歷程，試驗布置方式如圖2（a）所示。在試驗過程中，火源置于夾芯結(jié)構(gòu)底部，如圖2（b）所示。

圖2　耐火性能試驗示意圖Fig.2Schematic of thermal-resistance research

1.3試驗材料及試樣制備

夾芯式復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)耐火試驗選取的試驗用材料如下：

1）船用鋼板：單塊厚度5/10 mm，平面尺寸400 mm×400 mm。

2）SiO2氣凝膠氈：單塊厚度10 mm，平面尺寸400 mm×400 mm，質(zhì)量約450 g，材料由上海三亦機電設(shè)備有限公司提供。

3）陶瓷棉：單塊厚度20/50 mm，平面尺寸400 mm×400 mm，質(zhì)量約為500/1 320 g，材料由浙江浦森耐火材料有限公司提供。

4）SiC陶瓷片：單塊厚度10 mm，平面尺寸100 mm×100 mm，質(zhì)量314.6 g，材料由上海衡益特陶新材料有限公司提供。

上述材料的熱物理性能如表1所示。

表1　試驗材料的熱物理性能Tab.1Thermal physical properties of experiment material

5）高強聚乙烯纖維增強復(fù)合材料層合板（簡稱“高強聚乙烯層合板”，UFRP）：單塊面密度30 kg/m2，重量約2 700 g，平面尺寸300 mm×300 mm，滿足復(fù)合材料靶板彈道性能試驗的最小尺寸要求（200 mm×200 mm），材料由上海斯瑞科技有限公司提供，其物理性能如表2所示。

表2　高強聚乙烯的物理性能Tab.2Physical properties of high strength polyethylene

1.4試驗方案

為分析氣凝膠氈和陶瓷棉在厚度方向其防火隔溫性能對高強聚乙烯纖維復(fù)合材料的影響，采用均一設(shè)計方法［13］設(shè)計了6組試驗方案，如表3所示。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1單元結(jié)構(gòu)溫度分布分析

在試驗過程中，火源采用1.1節(jié)的試驗設(shè)計火源，火源溫度如圖1所示。實時記錄了夾芯結(jié)構(gòu)各層溫度隨時間的變化值，圖3所示為表3中6種不同試驗方案各層溫度隨時間的變化值，表4為試驗結(jié)果對比情況。

表3　隔溫層厚度測定的試驗設(shè)計方案Tab.3The experimental scheme of insulating layer thickness measurement

圖3　各層溫度隨時間變化值Fig.3Time histories of temperature on each layer

表4　試驗結(jié)果對比Tab.4Comparison of experiment results

由圖3可以看到，鋼板表面溫度剛開始是呈線性增長，溫度上升到一定值后增長開始變緩，至試驗結(jié)束時溫度達(dá)到最大值。這是因為火爐剛開始加熱時，火爐產(chǎn)生的熱量直接輻射到鋼板上，而鋼板上的熱量還來不及向艙壁周圍以及厚度方向傳遞，待一段時間后，鋼板面上的熱量逐漸向隔溫層方向傳遞，隔溫層的溫度逐漸升高，直到最后，火爐向鋼板面輸入的熱量和鋼板面向隔溫層輸出的熱量達(dá)到近似平衡的狀態(tài)。方案1～方案3的單側(cè)隔熱層厚度是分別為20，30，20 mm的SiO2氣凝膠氈，從溫度曲線圖中可以看到溫度梯度變化的規(guī)律，即靠近火源側(cè)的溫度梯度較大，向背火一側(cè)依次減小，說明氣凝膠氈材料在高溫條件下發(fā)生了變化，氣凝膠氈近火一側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)較遠(yuǎn)火一側(cè)變大了，這與文獻(xiàn)［14］中氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)會隨溫度升高而增大的研究結(jié)果一致，所以，只要在原來厚度的基礎(chǔ)上增加小量的厚度，隔溫效果就會顯著提高，方案1和方案2的試驗結(jié)果驗證了這一點。比較方案1和方案3（隔溫層都是20 mm的氣凝膠氈）：方案1的抗彈層為60 mm的高強聚乙烯，方案3的抗彈層為10 mm的陶瓷和30 mm的高強聚乙烯，從方案1和方案3的試驗結(jié)果溫度曲線圖上可以看到，陶瓷片具有一定的隔溫性能，其原因是陶瓷片的比熱較大，陶瓷片升溫需要吸收一定量的熱量，加之陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)較隔溫材料大，在升溫的過程中可及時將熱量傳遞開來。方案4～方案6的隔熱層是分別為40，50，50 mm的陶瓷棉，其中方案5、方案6為50 mm的整塊陶瓷棉，方案4的為2個20 mm陶瓷棉的疊加。從溫度曲線圖（圖1～圖3）上可以觀察到，其與氣凝膠氈作隔溫層時在厚度方向上有同樣的溫度梯度變化規(guī)律，但其試驗結(jié)果溫度為193.2℃，未能滿足A60標(biāo)準(zhǔn)實驗的要求。方案5、方案6的試驗結(jié)果溫度分別為101，93.1℃，均能滿足A60標(biāo)準(zhǔn)實驗的要求。

由表4的試驗結(jié)果對比可知，陶瓷棉和SiO2氣凝膠氈均有較好的熱防護(hù)性能，且增加熱防護(hù)層的厚度能夠顯著增加艦船艙壁的熱防護(hù)效果，然而考慮到容重和空間利用率等因素，要達(dá)到相同的熱防護(hù)效果所需要的陶瓷棉較SiO2氣凝膠氈厚，不利于提高艦船艙室空間利用率這一理念，且使用由陶瓷棉組成的夾芯結(jié)構(gòu)達(dá)到相同熱防護(hù)效果其面密度較大，也不利于艦船輕量化的設(shè)計理念。

2.2防護(hù)芯層受損分析

圖4所示為試驗結(jié)束后高強聚乙烯迎火面的變化情況。由圖4（a）和圖4（d）可看出，聚乙烯板表面層被燒蝕皺縮，而其他4組聚乙烯板則未受到影響，這與表4試驗結(jié)果中1，4組高強聚乙烯表面溫度分別為201和193.2℃（超過了150℃），聚乙烯表面會受到不同程度的破壞這一結(jié)果是一致的。因聚乙烯板對應(yīng)于火爐中心的溫度最高，所以中心區(qū)域首先開始熔融并逐漸向周圍散開，形成一個圓形的擴散面。高分子量聚乙烯為可燃的有機物，由圖4（a）可以看到，熔融皺縮的聚乙烯少部分被碳化了。

圖4　高強聚乙烯迎火面變化情況Fig.4Change of high strength polyethylene on the fire surface

2.3隔溫層失效分析

表5　耐火材料變化情況Tab.5Change of refractory material

表5為以上6種艙壁結(jié)構(gòu)試驗后耐火層的變化情況。從第1，2，3組中以氣凝膠氈作隔溫層的試驗結(jié)果可以看出，迎火面的氣凝膠氈表面均被燒變黑，甚至出現(xiàn)了一些孔洞，這是因為氣凝膠氈表面有一層很薄的鋁箔，鋁箔的熔點約為600℃，當(dāng)氣凝膠氈迎火面一側(cè)的溫度達(dá)到600℃左右時鋁箔就會被熔化，且持續(xù)的高溫使得迎火面的氣凝膠氈納米空隙被破壞，二次堆積顆粒逐漸增大，這與文獻(xiàn)［15］中研究的情況一致；背火面的氣凝膠氈沒有太明顯的變化，從第1，3組氣凝膠氈背火面的顏色變深可知，其顯然是受到了高溫的影響，而第2組氣凝膠氈的背火面無明顯變化則說明氣凝膠氈的厚度對夾芯結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)影響很大。第4，5，6組分別為40，50，50 mm陶瓷棉在不同夾芯結(jié)構(gòu)形式下的試驗結(jié)果。從第5，6兩組圖中可以看到，其陶瓷棉迎火面和背火面的變化情況基本一致，迎火面的纖維被燒化脫落，表層的陶瓷棉也明顯碳化，而背火面卻無明顯變化；與第5，6組圖相比，在第4組圖中，陶瓷棉的迎火面發(fā)生了同樣的變化，但背火面卻有明顯被高溫侵襲的痕跡，這與圖4（d）中聚乙烯板被燒蝕的情況符合，說明40 mm陶瓷棉不能達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn)的要求，而50 mm陶瓷棉則滿足需要。

2.4防護(hù)結(jié)構(gòu)形式對防火性能影響的分析

從試驗結(jié)果來看，陶瓷棉和SiO2氣凝膠氈均具有較好的熱防護(hù)性能，適當(dāng)厚度的陶瓷棉和SiO2氣凝膠氈均能達(dá)到A60防火標(biāo)準(zhǔn)的要求。從第1，2組和第4，5組的試驗結(jié)果來看，當(dāng)增加隔溫層厚度時，能顯著提高復(fù)合艙壁的耐火隔溫性能，這是由隔溫材料高的熱穩(wěn)定性所決定的；從第1，3組和第5，6組的試驗結(jié)果對比可以看出，采用陶瓷片和聚乙烯板復(fù)合的抗彈層比采用純聚乙烯板作抗彈層的防火性能好，因為陶瓷片具有一定的吸熱和分散熱量的性能，雖然采用帶陶瓷片作抗彈層艙壁面密度較大，但是降低了復(fù)合艙壁的厚度，可節(jié)約艙室空間；從第1，2，3組與第4，5，6組的試驗結(jié)果對比可以看出，要達(dá)到相同的耐火標(biāo)準(zhǔn)，所需要的SiO2氣凝膠氈明顯比陶瓷棉薄，在相同的試驗條件下，30 mmSiO2氣凝膠氈明顯比50 mm陶瓷棉的隔溫效果好，并且厚度小，能夠節(jié)約較大的艙室空間。

3　結(jié)論

1）利用陶瓷棉與氣凝膠氈優(yōu)良的隔熱性能和聚乙烯良好的抗穿甲性能，通過組合優(yōu)化，可以得到滿足A60標(biāo)準(zhǔn)的SiO2氣凝膠氈、陶瓷棉/高強聚乙烯多層組合防護(hù)結(jié)構(gòu)。

2）達(dá)到A60耐火標(biāo)準(zhǔn)所需要的SiO2氣凝膠氈明顯比陶瓷棉薄，在相同的試驗條件下，30 mm SiO2氣凝膠氈比50 mm陶瓷棉的隔溫效果更好，是最佳的一組方案。

3）陶瓷/高強聚乙烯板復(fù)合的抗彈層與純聚乙烯板抗彈層相比，復(fù)合艙壁的防火性能好，因為陶瓷能夠分散熱量，引導(dǎo)熱量向周圍發(fā)散，但在本文研究的厚度范圍內(nèi)還不足以滿足A60標(biāo)準(zhǔn)。

4）隔溫層迎火面的溫度梯度較大，并向背火面逐漸減小，適當(dāng)增加迎火面SiO2氣凝膠氈的厚度能夠顯著提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐火性能。

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Experiment on the thermal insulation performance of multi-layer composite ballistic structures by silicate aero-gel/ceramic/high-strength polyethylene

ZHENG Pan，ZHU Xi，LI Yongqing
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

In order to research the reliability of high strength polyethylene under high temperature conditions and the heat insulation properties of SiO2aero-gel and ceramic cotton，the SiO2aero-gel blanket/ceramic cotton with high strength polyethylene integrated structure scheme with no clearance was put forward.The standard fire test was performed on the structural unit.The failure mode of the refractory material and the influence law of refractory thickness on the sandwich structure were analyzed.The study discusses the practicality of area density and the overall thickness of the structure on the premise that the composite structure bulkheads satisfies the refractory requirements.The results show that the advisable thickness of the SiO2aero-gel blanket and ceramic cotton each have good refractory insulating performance，and the thermal protection effect of the composite bulkhead structure is obviously improved with the higher thickness of the insulating layer.To achieve the same effect，less SiO2aero-gel blanket is needed than ceramic cotton；the SiO2aero-gel blanket is superior when considering area density and whole structure thickness；and the ceramic also has a certain insulating effect when added to the sandwich structure.As such，the integrated optimization of the composite bulkhead structure can effectively improve the protective performance of marine bulkheads.

refractory material；anti-bullet；silicate aero-gel；high strength polyethylene

U668.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.012

2015-12-18網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-9-21 13:36

國家自然科學(xué)基金資助項目（51179200）

鄭盼，男，1990年生，碩士生。研究方向：船用材料與應(yīng)用工程。E-mail：252765457@qq.com

朱錫，男，1961年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)與材料工程研究。

E-mail：Zhuxi816@163.com

李永清（通信作者），男，1976年生，博士，講師。研究方向：艦船新型材料及應(yīng)用研究