趙延杰，劉建湖，汪 俊，王海坤

（中國船舶科學研究中心海洋防務技術創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

聚脲是一種由兩種組分經(jīng)化學反應形成的高彈性聚合物，采用噴涂技術制作時可在任意曲面、斜面及垂直面上噴涂成型，不產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，幾分鐘內(nèi)即可達到步行強度[1]。目前國外在聚脲配方的研制方面已獲得了十分顯著的成果，形成了多種用于特種用途的聚脲產(chǎn)品，尤其是在抗爆抗沖擊應用領域，已經(jīng)形成了專門的聚脲涂層護甲，用于裝甲車、重要建筑物等的防護。在國內(nèi)，對于聚脲的研究主要集中在提高其耐磨、防滑、防水、防腐性能等領域，市場上專門用于抗爆的聚脲產(chǎn)品極為少見。

隨著我國海軍新型艦艇的研制，艦船抗爆的需求越來越迫切，如果能從新材料的應用方面取得艦船抗爆效果的提升，將會實現(xiàn)革命性的突破。艦船作為海上軍事力量，其面臨的主要威脅有魚雷、水雷、反艦導彈等。魚雷和水雷的爆炸產(chǎn)生水下爆炸載荷，通過強流固耦合作用將載荷傳遞到船體結構上；而反艦導彈通過對艦船的水上舷側部分和上層建筑穿甲之后，在船體內(nèi)部爆炸產(chǎn)生空氣中的沖擊波載荷和破片載荷。不同類型武器的攻擊產(chǎn)生完全不同的載荷，因而針對不同類型武器攻擊時采取的防護措施其作用機理也不盡相同。本文中所涉及到的研究都屬于第一類，即艦船結構承受水下爆炸載荷時的防護問題。

自本世紀初以來，國內(nèi)外學者開展了不少關于聚脲在水下爆炸防護中的應用研究，包括材料力學性能試驗、理論分析方法、數(shù)值仿真研究、試驗研究等。然而直到目前為止，在水下爆炸載荷下聚脲究竟能否起到結構防護作用、如何合理配置聚脲與結構材料的匹配性以及應用聚脲之后結構防護能力能夠提高多少這三個方面學術界還沒有形成一致的意見。聚脲作為抗爆涂層在實船上的應用更是聞所未聞。在作者看來，形成這一局面的原因主要包括兩點：（1）學者們在進行理論分析時采用的聚脲材料模型過于簡化，進行數(shù)值仿真時代入的材料模型又不能準確地描述其復雜受力狀態(tài)和斷裂失效，導致計算結果離散度很大；（2）為檢測聚脲的抗爆性能，水下爆炸試驗是最直觀的手段，然而學者們試驗時采用的聚脲配方和規(guī)格都不盡相同，自然在力學性能上也存在千差萬別，因此通過試驗得出的結論也不完全一致，有的甚至相悖。

本文從聚脲的動態(tài)力學行為入手，對近20年來國內(nèi)外學者將聚脲應用于水下爆炸防護上的工作進行梳理，可以有助于對聚脲抗爆的研究現(xiàn)狀有更清晰的認識和理解。同時，作者也對后續(xù)研究的方面和趨勢提出了自己的觀點，希望本文能為從事相關研究工作的科研人員提供有益的參考。

1 聚脲的動態(tài)力學行為

由于水下爆炸是一個在極短時間內(nèi)釋放大量化學能量的過程，在這樣的瞬態(tài)沖擊載荷作用下結構響應應變速率都很高，要研究聚脲在水下爆炸防護中的應用，必須研究其動態(tài)力學行為。本章從試驗研究和本構模型研究兩個方面介紹聚脲動態(tài)力學行為的研究進展。

1.1 試驗研究

為探究聚脲的動態(tài)力學性能，許多學者和機構開展了試驗研究。試驗裝置包括但不限于落錘沖擊試驗機、霍普金森拉桿（SHTB）、霍普金森壓桿（SHPB）、液壓高速試驗機、圍壓加載試驗機等，但目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范進行彈性體的動態(tài)力學性能試驗。無論試驗對象差異如何，各類試驗均證實了聚脲具有明顯的應變率效應。試驗結果多用來驗證相關本構模型的精度，但對其動態(tài)斷裂特性的研究還不多見。下面從常規(guī)力學性能試驗、試驗裝置改進、不同試驗方法等幾個角度概述聚脲動態(tài)力學行為的試驗研究現(xiàn)狀。

甘云丹[2]利用伺服材料實驗機MTS 和SHPB 對彈性體（聚脲）材料的準靜態(tài)和動態(tài)力學性能進行了測試，得到了聚脲材料在準靜態(tài)和動態(tài)下的力學性能。試驗結果表明聚脲具有明顯的應變率效應，如圖1所示。

圖1 聚脲在準靜態(tài)與動態(tài)壓縮條件下的應力-應變關系[2]Fig.1 Stress-strain relationship of polyurea under quasi-static and dynamic compression[2]

Shim 等[3]對聚脲開展了不同應變率下連續(xù)加載和卸載壓縮試驗，還開展了單軸壓縮下多加載步應變歷史試驗。研究結果表明，Zener 型粘彈性本構模型不適用于描述聚脲的應變率相關力學行為?；诎? 個麥斯威爾單元的流變模型，作者提出了一個新的能夠描述聚脲應變率相關特性的本構模型，共包含8 個特征參數(shù)。經(jīng)過與試驗結果的比對，該本構模型能夠較好地預測不同應變率下聚脲連續(xù)加載和卸載的力學行為。

Shim 等[4]采用錘擊法研究了不同下落速度、不同錘頭尺寸下聚脲涂覆鋼板的動力響應。將試驗結果與仿真結果比對驗證了作者提出的聚脲應變率相關本構模型[5]的準確性。

Roland等[5]采用落錘式?jīng)_擊試驗裝置研究了聚脲在中應變率（0.06～573 s-1）下的動態(tài)拉伸力學行為，填補了傳統(tǒng)材料試驗機和霍普金森桿試驗系統(tǒng)對中應變率試驗的缺失。作者還對傳統(tǒng)落錘試驗裝置進行了改進，使得落錘試驗中應變率能夠更加恒定且試件上的應變分布能夠更加均勻，試驗機構示意圖見圖2。

圖2 改進的落錘沖擊試驗機[5]Fig.2 Improved drop hammer impact test machine[5]

Shim 等[6]采用尼龍材料作為SHPB 的入射桿和出射桿的材料，采用應力波反褶積方法改進了傳統(tǒng)的SHPB技術，并采用新的SHPB 技術對聚脲在低、中、高不同應變率下的應力-應變關系進行了測試；將低速和高速試驗結果與傳統(tǒng)測試手段的結果進行對比，驗證了改進技術的有效性；還發(fā)現(xiàn)中速試驗時應變率難以保持恒定，需要特別長（＞20 m）或特別短（＜0.5 m）的入射桿以保持應變率的恒定狀態(tài)。

中國船舶科學研究中心的趙延杰等[7]購置了國外某抗爆專用聚脲涂層作為研究對象，并對其進行了SHTB 試驗。試驗結果表明其動態(tài)極限強度較其靜態(tài)極限強度提高約33%，表現(xiàn)出明顯的應變率效應，但延伸率較標稱值有大幅降低，如圖3 所示。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是試驗試件采用刀具切割，試件邊緣存在初始缺陷。

圖3 初始缺陷造成延伸率大幅降低[7]Fig.3 Significant reduction of elongation caused by initial imperfection[7]

Raman 等[8]采用Instron 高速試驗機研究了聚脲在應變率0.006～388 s-1范圍內(nèi)的動態(tài)拉伸力學行為。試驗結果表明，高應變率下聚脲的應力-應變行為是非線性的且體現(xiàn)出了明顯的應變率效應；其彈性模量將隨著應變率的增加而增加，但材料屈服后的硬化模量則不受應變率的影響。針對聚脲彈性模量隨應變率提升的現(xiàn)象，作者提出了動態(tài)放大系數(shù)（dynamic increase factor）的概念。

代利輝等[9]進行了聚脲的SHTB 試驗并對得到的應力-應變曲線進行了本構模型擬合研究。他得到與Raman[8]類似的結論，即聚脲彈性變形階段的彈性模量受應變率影響較大；且應變率越高，聚脲的應力-應變關系表現(xiàn)出越強的非線性：初始的線彈性階段，非線性過渡屈服階段和硬化失效階段。

Youssef 等[10]采用激光引起應力波的方式對涂在鋼板表面的厚聚脲層中的應力波進行記錄，短時間內(nèi)激光包含的大量能量使得聚脲內(nèi)部產(chǎn)生層裂破壞，通過對應力波數(shù)據(jù)的處理可以得到超高應變率下聚脲的極限拉伸強度。采用這種試驗手段應變率最高可達1.67×107s-1。

Liu 等[11]開展了純聚脲和SiC/聚脲復合材料的壓縮特性試驗，應變率范圍為0.001～8000 s-1。試驗發(fā)現(xiàn)聚脲的流動應力、壓縮強度、應變率敏感性、應變能等均與應變率正相關，且在聚脲配方中摻入少許的SiC就可以顯著地提高其力學性能。此外，他們還對斷裂試件的表面和內(nèi)部微結構進行了掃描電鏡分析和X射線層析，從微觀組織的形貌上分析了聚脲的斷裂機理。

閻龍等[12]對聚脲在不同溫度、不同應變率、圍壓受力狀態(tài)下的動態(tài)壓縮力學性能進行了試驗研究。結果表明，聚脲材料在圍壓下的力學性能具有明顯的溫度敏感性和應變率敏感性，隨著溫度的降低或者應變率的增大，材料的彈性模量和應力水平均明顯增大。同時，軟段含量較高的聚脲材料強度更低，其力學行為對溫度和應變的變化更敏感。

Mforsoh 等[13]考察了鹽水、紫外線照射、溫度等海洋環(huán)境條件對聚脲力學特性的影響，試驗結果如圖4 所示。研究表明，聚脲在85℃條件下于鹽水中浸泡84 天后，彈性模量下降了73%，在紫外線照射20天后彈性模量最大可提高64%。在動態(tài)壓縮條件下，在鹽水中浸泡了84天的聚脲試件應變能下降了48%，而經(jīng)過紫外線照射的聚脲試件應變能提高了45%。這些成果可為聚脲上艦應用的適用性評估提供很好的參考。

圖4 浸泡鹽水（S）和紫外線照射（UV）后的聚脲應力-應變關系[13]Fig.4 Stress-strain relationship of polyurea after saline immersion and ultraviolet radiation[13]

1.2 本構模型研究

在與超彈性材料相關的文獻中，有許多不同類型的理論模型用于描述其力學性能，一般來說可以分為兩大類：一種是基于統(tǒng)計熱力學的動力學理論；另一種是不考慮彈性體的微觀結構和分子本質(zhì)，認為彈性體是連續(xù)介質(zhì)的唯象學方法[14]。通過統(tǒng)計熱力學建立的超彈性材料力學模型一般包含較多的基于微觀結構的待定參數(shù)，多屬于理論研究，不適用于工程應用；而基于唯象學方法建立起來的本構模型可以用擬合出來的材料參數(shù)去解釋其他各種應力狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)，針對各種載荷能給出穩(wěn)定的結果，從而描述較大的變形范圍，適于工程應用，例如Neo-Hookean 模型[15]、Mooney-Rivlin 模型[16-18]、Yeoh 模型[19]、Arruda-Boyce 模型[20]和Ogden 模型[21-24]等，在這些模型中，材料應變能密度均被表示為應變張量的函數(shù)。然而唯象法終究沒有理論基礎，缺少對材料本質(zhì)的認識。

Amirkhizi 等[25]在分離式Hopkinson 桿實驗的基礎上，提出了聚脲高應變率行為本構，建立了適用于聚脲材料在不同應變率下的粘彈性本構模型。該模型綜合了基于時-溫變換思想的溫度效應和壓力敏感性。

Li和Lua[26]將Amirkhizi模型推廣到包括非線性粘性效應，發(fā)展了一種聚脲材料多網(wǎng)絡模型。該模型可以描述應變遲滯現(xiàn)象，并考慮了應變率對材料的影響，同時材料變形和失效過程中的塑性變形、微慣性效應和溫度依賴性也可以利用該模型表征。

Mohotti 等[27]基于Raman[8]的聚脲動態(tài)拉伸試驗結果，提出了一種9 參數(shù)的考慮應變率效應的基于Mooney-Rivlin 模型的本構模型（RDMR）。應變率項十分簡單易懂，且該本構模型與試驗結果吻合良好，如圖5 所示。這一本構模型的好處是可以經(jīng)過簡單的二次開發(fā)嵌入LS-DYNA、ANSYS 等商用軟件中，可模擬含聚脲的結構沖擊動響應問題。趙延杰[28]和Wang[29]等分別將這一本構模型成功地應用到了各自的試驗數(shù)據(jù)擬合中，說明該本構模型對于超彈性材料有一定的普適性。

圖5 聚脲動態(tài)拉伸試驗結果與本構模型的擬合[27]Fig.5 Fitting of polyurea constitutive model parameters and relative dynamic tensile test results[27]

Gamonpilas等[30]提出了一個聚脲的粘彈性本構模型，在這個本構模型中聚脲的力學行為基于相互獨立的應變和時間參量，應變項函數(shù)由9 參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型表征而時間項函數(shù)由普里尼級數(shù)表征。這一粘彈性本構模型與不同應變率下的聚脲拉伸及壓縮試驗結果都吻合較好。

代利輝等[9]基于聚脲的動態(tài)力學特性實驗數(shù)據(jù)采用不同的本構模型進行擬合，發(fā)現(xiàn)當應變小于0.25 時，超彈性模型擬合效果更好，這表明聚脲在此階段表現(xiàn)出超彈性行為；而當應變從0.3～0.45 時，粘彈性模型對試驗數(shù)據(jù)的描述更為準確，這意味著材料在該應變范圍內(nèi)表現(xiàn)出粘彈性行為；然而當應變達到0.45 以上時，材料開始斷裂，粘彈性模型也不再適用于預測其應力-應變關系。隨著試驗應變率的提高，聚脲的類橡膠性能（亦即超彈性）越來越不明顯，而粘彈性模型適用程度越來越高。

2 聚脲在結構爆炸防護中的應用

聚脲作為抗沖擊增強覆蓋層最初是由美國空軍實驗室（Air Force Lab）提出，隨后在1999 年美國與以色列相關部門合作開始其實驗研究，研究結果表明，對于臨時性建筑及混凝土墻體，通過在內(nèi)部或內(nèi)外噴涂聚脲，其抗爆能力有了非常明顯的提高。2000年美國海軍很快從空軍的研究中得到啟發(fā)，他們通過研究將彈性體涂覆在鋼板上的效果試圖提高鋼板的抗沖擊性能。澳大利亞海軍相關部門研究認為在船體外噴涂高彈體層具有減緩爆炸沖擊的作用，并指出該技術尤其有利于改善現(xiàn)有艦艇的爆炸防護能力。

本章從理論研究、數(shù)值仿真研究和試驗研究三個方面分別介紹聚脲在艦船爆炸防護中的研究進展。

2.1 理論研究

聚脲的耗能研究主要集中于微觀層面。由于聚脲本身是由兩種組分混合而成，其不同微觀結構的損傷耗能機理得到了不少學者的關注。在宏觀層面，聚脲作為一種超彈性材料，其復合到結構之中引起結構抗沖擊性能的變化也是工程領域的一個研究熱點。

任九生等[31]從聚脲的微觀分子結構層面分析了其具有良好的儲能特性的原因。聚脲的微觀結構是由長長的分子鏈交結在一起的網(wǎng)狀結構。在外力作用下，卷曲的長分子鏈可以逐漸伸長，在宏觀上表現(xiàn)為高達百分之幾百的大變形。且當外力消失后，拉直的長鏈可以恢復到原來的狀態(tài)，這就是材料的高彈性。當外載荷達到某一程度時，材料內(nèi)部可以突然出現(xiàn)滑移帶或局部化的損傷構造，材料由穩(wěn)定的連續(xù)形變狀態(tài)突然過渡到另一狀態(tài)，進而引起材料和結構的損傷或破壞，從而產(chǎn)生材料不穩(wěn)定性問題。

Grujicic 等[32]從分子層面對沖擊波掃略過的聚脲細觀結構進行了計算分析，如圖6 所示。指出聚脲緩沖吸能的機理主要包含3 個方面：一是原子之間相對位移造成聚脲的非彈性變形從而吸收部分沖擊波能量；二是在沖擊波作用下硬區(qū)域中氫鍵斷裂與結合，耗散掉一部分沖擊波能量；三是在沖擊波作用下發(fā)生的局部密實化使沖擊波能轉化為熱能散逸出去。

圖6 原子力顯微鏡下聚脲的硬區(qū)域和軟基體[32]Fig.6 Hard domains and soft matrix of polyurea under atomic force microscopy[32]

Roland 等[33]對不同聚脲覆蓋層下的鋼板進行了子彈穿甲試驗，研究結果表明在強沖擊載荷下超彈性材料從橡膠態(tài)向玻璃態(tài)發(fā)生轉變，如圖7所示。其分子鏈和鏈段由解凍狀態(tài)變?yōu)閮鼋Y狀態(tài)，原來在橡膠態(tài)下可以運動的分子鏈和鏈段不能繼續(xù)運動，只有構成分子的原子（或基團）在其平衡位置做振動。這一轉變耗散掉了相當部分的沖擊波能量。

圖7 強沖擊載荷下聚脲的玻璃化轉變[33]Fig.7 Glass transition of polyurea under strong impact loading[33]

Yi 等[34]利用SHPB 研究了聚脲在壓縮載荷下的應力-應變行為，同樣也觀察到材料在增加的應變速率下從橡膠狀轉變?yōu)椴Ａ畈牧系倪^程。

Dinan 等[35]對噴涂聚脲的混凝土墻在爆炸載荷作用下的破壞機制進行了分析。通過對單面噴涂墻體進行數(shù)次實爆試驗，認為聚合物對混凝土墻的抗爆性能有明顯的改善，薄膜結構能增強墻體的抗彎剛度和抵抗力。

羅澤立等[36]提出了敷設橡膠覆蓋層結構遭遇水下非接觸爆炸沖擊波的流固耦合分析方法。沖擊早期高頻作用段采用聲學波動理論，以沖擊波在水、覆蓋層、鋼板中的傳播過程為研究對象，利用沖量等效修正沖擊早期Talor板模型反射系數(shù)。沖擊波早期高頻段過后，覆蓋層的影響主要體現(xiàn)在其質(zhì)量效應上，將覆蓋層質(zhì)量加載在其對應的結構有限元結點上并結合二階DAA，給出流固耦合計算方法分析結構動響應。該方法大大縮減了有限元計算規(guī)模。最后實施了敷設橡膠覆蓋層的加筋圓柱殼水下爆炸試驗，其加速度峰值與試驗偏差在20%以內(nèi)，速度峰值偏差在10%以內(nèi)，應變峰值偏差在15%以內(nèi)，充分驗證了計算方法。

金澤宇等[37]采用龍格庫塔間斷伽遼金法、邊界元法和有限元法的耦合計算方法（RKDGBEMFEM）求解了敷設超彈性覆蓋層圓板在近場水下爆炸載荷作用下的響應，并與試驗得到的濕表面壓力、氣泡形態(tài)等結果進行比對，驗證了計算方法的準確性；發(fā)現(xiàn)與光板相比，敷設超彈性覆蓋層能夠縮短沖擊波的脈寬，但是形成的空化更容易潰滅形成二次壓力脈沖。

2.2 數(shù)值仿真研究

聚脲復合結構抗爆性能數(shù)值仿真相關研究較多，本節(jié)選取了幾個具有代表性的成果進行介紹。數(shù)值仿真研究一般作為試驗的補充，研究思路一般為首先對試驗工況進行模擬以驗證計算方法的精度，然后改變相關參數(shù)（涂層厚度、涂覆位置、材料特性等）進行聚脲涂覆結構抗爆性能的參數(shù)影響規(guī)律研究。在聚脲復合結構抗爆性能數(shù)值仿真中，目前有待完善的問題是聚脲的動態(tài)失效判據(jù)選取和聚脲-結構粘結界面失效模擬。

Amini等[39]利用數(shù)值模擬手段研究了涂覆聚脲涂層的鋼板的沖擊響應，分析了涂層與鋼板相對位置、涂層厚度及涂層-鋼板界面強度等參數(shù)對于聚脲涂覆鋼板的抗沖擊性能的影響。研究表明，聚脲涂層對于鋼板的抗沖擊性能提升明顯，當聚脲涂覆于鋼板背爆面時，聚脲涂覆鋼板結構的沖擊動力學響應對涂層-鋼板界面強度的依賴性更加明顯。

Hui和Oskay[40]采用數(shù)值仿真手段研究了聚脲涂覆E玻璃纖維/乙烯基酯編織復合材料（EVE）在爆炸載荷下的動力學響應。該研究基于溫度和壓力相關的粘彈性本構模型，對聚脲沖擊響應進行了理想化的處理。EVE層的損傷是利用包含絕熱加熱和各組分（基體和纖維）行為中的應變率相關的多尺度計算損傷模型表征。通過與文獻[41]試驗結果的對比驗證了EVE 復合材料和聚脲涂層在爆炸載荷下數(shù)值模擬方法的準確性，表明該模型能夠準確地捕捉試件的非彈性變形及毀傷特征。

Guduru等[42]明確指出，彈性覆蓋層在高應變率下對延緩鋼板頸縮起到了很大的作用。Xue等[43]在此基礎上采用數(shù)值仿真的方法進行了聚脲涂覆鋼板的相關研究。研究指出：由于阻抗匹配性的問題，與等質(zhì)量的光板和前涂覆聚脲鋼板相比，將聚脲涂覆在鋼板背爆面時鋼板破裂前將吸收更多的能量。另外，無論將聚脲涂層放置于鋼板的迎爆面或背爆面，都將提高復合板在塑性硬化過程中的切線模量，從而延緩鋼板的頸縮破壞，如圖8 所示。這一結論成立的前提有兩點：一是復合板在初始沖擊波階段未發(fā)生斷裂破壞；二是涂層與鋼板粘結良好，不脫膠。這里就體現(xiàn)出了聚脲和鋼板粘結強度的重要性。

圖8 聚脲延緩鋼板頸縮的數(shù)值仿真結果[43]Fig.8 Numerical simulation results of neck-retarding effect of polyurea on steel plate[43]

Ackland等[44]進行了3組不同聚脲涂層厚度的復合板的爆炸試驗，3組復合板質(zhì)量相同。采用高速攝影技術記錄了復合板的瞬態(tài)變形。試驗結果表明，隨著復合板中聚脲涂層厚度的增加，最終復合板的變形也隨之增大?；谠囼灥臄?shù)值仿真也給出了同樣的結論，且通過不斷的模擬發(fā)現(xiàn)聚脲涂層和鋼板之間的粘結力在80 MPa左右，模擬了試驗中觀察到的脫膠現(xiàn)象，如圖9所示。他的研究表明了在等質(zhì)量條件下聚脲涂覆鋼板較實體鋼板并無優(yōu)勢。

圖9 聚脲涂層脫膠的數(shù)值仿真結果[44]Fig.9 Numerical simulation results of polyurea coating debonding[44]

Samiee 等[45]采用LS-DYNA 對聚脲涂覆鋼板在爆炸載荷下的動態(tài)響應進行了數(shù)值仿真，考察了聚脲涂層位置（迎爆面或背爆面）、聚脲涂層厚度、加載方式（直接加載或間接加載）的影響，仿真中對聚脲采用了文獻[25]中提出的本構模型。仿真結果表明在等面密度的情況下，在背爆面涂覆聚脲的鋼板比迎爆面涂覆鋼板和光板具有更優(yōu)異的抗爆性能。

Wu等[46]采用AUTODYN 軟件模擬了不同配置的聚脲涂覆鋼板在爆炸載荷下的動態(tài)響應。采用鋼板中心點的等效塑性應變來評判涂層對鋼板抗爆性能的提升。采用Cowper-Symonds強化的雙線性彈塑性本構模型和線性狀態(tài)方程來描述聚脲的力學行為。最終得出聚脲和鋼板厚度的最佳配比是10 mm 和43.9 mm。這一結論沒有考慮聚脲涂覆鋼板受不同強度沖擊載荷的響應差異，顯然還有待商榷。

2.3 試驗研究

對聚脲復合結構抗爆性能最直接也是最準確的研究方式就是開展爆炸沖擊試驗?，F(xiàn)有的許多研究成果表明，將其涂覆在已有結構上能夠增強其抗爆防護性能，但會帶來結構質(zhì)量的增加。對于艦船來說，質(zhì)量的增加將會影響其水動力性能，因此最好是在等面密度——即重量相等的前提下進行聚脲抗爆防護復合結構的設計。

美國超強材料研究中心采用Rhino 公司的噴涂聚脲彈性體技術開展了抗爆墻的研制。試驗結果表明：使用聚脲涂層覆蓋的磚墻有效地防止了爆炸碎片進入室內(nèi)；墻面受沖擊后最大位移為300 mm，持續(xù)時間為110 ms；抗爆涂層和磚墻粘合極佳，保證了磚墻的整體性。除此之外，他們還進行了抗爆汽車、抗爆建筑的相關試驗研究。值得一提的是，他們做的試驗均是在原有結構上噴涂聚脲彈性體，然后將噴涂后的結構與噴涂前的結構進行相同的爆炸試驗，因而體現(xiàn)出了較為明顯的效果。但這一良好試驗效果的獲得是建立在結構增重的基礎上的。

Tekalur等[41]利用激波管裝置進行了聚脲對玻璃纖維增強環(huán)氧乙烯樹脂（EVE）編織復合材料層合板爆炸性能影響的試驗研究。結果表明：在爆炸載荷下，EVE 復合材料的破壞機制復雜，包括永久變形、纖維斷裂和分層，隨著損傷程度的增加，爆炸壓力幅值增大；聚脲涂層可以有效地提高復合材料層合板結構的抗沖擊性能，但內(nèi)在機理尚不明確。

朱學亮等[47]基于霍普金森桿發(fā)射系統(tǒng)驅動圓柱形子彈對聚脲與鋁板組成的方形板件進行了10～17 m/s的低速沖擊試驗，其中試件包括單一鋁板、前涂層結構、后涂層結構和三明治結構等四種配置，并保持了相同的面密度（1.49 g/cm2）。從受沖擊面破壞形貌、剩余變形和變形時程等方面對試驗結果進行了分析，發(fā)現(xiàn)聚脲層涂覆在受沖擊側可以有效緩解有棱沖擊體帶來的應力集中現(xiàn)象，具有相同面密度的純鋁板結構比背面涂層結構和夾層結構具有更強的抗局部剪切能力和抵抗變形能力。

諶勇等[38]對粘貼于船模上的橡膠夾芯覆蓋層受水下爆炸時的防護作用開展了試驗研究，結果表明橡膠夾芯覆蓋層能有效降低結構受沖擊波時的響應峰值，其作用相當于一個低通濾波器，對高頻信號衰減明顯，而對低頻信號影響不大。

Amini 等[39]做的聚脲涂覆鋼板的爆炸沖擊試驗非常具有代表性。他采用輕氣炮裝置模擬爆炸載荷，對聚脲與鋼板的相對位置、聚脲涂層厚度、聚脲涂覆鋼板的損傷模式等進行了系列的試驗研究，如圖10 所示。得到的結論有：當聚脲涂層位于鋼板的背爆面時，能夠很好地起到降低鋼板損傷和能量吸收的作用；而當聚脲涂層位于鋼板的迎爆面時，反而會增大鋼板的破壞效應，這與聚脲和鋼板之間的粘結強度等有關。這一結論也相繼得到了國內(nèi)外眾多學者的認可。

圖10 聚脲涂層位置不同時鋼板的損傷情況[39]Fig.10 Damage modes of steel plates with different coating condition[39]

LeBlanc 等[48]試驗研究了聚脲涂覆復合材料板在近場水下爆炸下的動態(tài)響應。在充滿水的圓錐形激波管中，通過模擬自由場中水下爆炸引起的沖擊波傳遞并借助三維數(shù)字圖像相關技術處理高速攝像圖像以得到板的瞬態(tài)響應。結果表明，應用聚脲涂層可以顯著地改善層合板的抗沖擊性能。

Ackland 等[44]對爆炸載荷下背面涂覆聚脲的中等厚度平板的抗爆炸性能進行了試驗和數(shù)值研究。試驗結果表明，涂在背面的聚脲在爆炸試驗時能有效地減少板的變形,并且鋼板變形量隨著涂層厚度的增加而減小。

甘云丹[2]對聚脲涂覆鋼板在水下爆炸作用下的變形及破壞進行了試驗研究，并對應地進行了數(shù)值模擬。他得出的結論有：（1）彈性體涂覆鋼板的抗爆性能比未涂覆的鋼板的抗爆能力大約提高了24%；（2）彈性體涂覆在鋼板的背面要比涂覆在鋼板的前面以及前后涂覆的抗爆能力要強；（3）隨著彈性體涂覆厚度的增加，鋼板的抗爆能力沒有得到顯著的增強，彈性體的涂覆厚度以2 mm為最佳。

McShane 等[49]得出了與Xue[43]不同的結論，他認為Xue 的結論成立的基礎是聚脲的力學特性可以Neo-hookean 本構模型表征，即彈性模量隨著拉伸變形的增大而增大。而McShane選取了兩種不同成分的聚脲并進行了材料試驗，發(fā)現(xiàn)并不符合Neo-hookean本構模型的特征。他繼而進行了相同質(zhì)量的光板和聚脲涂覆板的爆炸試驗，發(fā)現(xiàn)在等質(zhì)量的前提下聚脲涂覆板的防護能力并不強于光板，如圖11 所示。通過增加聚脲涂層的方式實際上增加了復合板的總質(zhì)量，而抗爆能力的體現(xiàn)還是質(zhì)量效應。McShane 最終建議將聚脲涂覆在已有鋼結構上，特別是對于外形復雜的鋼結構有較好的抗爆增強效果。目前國外已有將聚脲應用在艦船艙室內(nèi)部的案例，主要起防腐作用[50]。

圖11 等面密度時鋼板與聚脲涂覆板的試驗結果[49]Fig.11 Test results of bare steel plates and coated steel plates with same area density[49]

趙延杰等[7]選取了國外某抗爆專用聚脲涂層作為研究對象，對水下爆炸作用下的聚脲涂覆鋼板進行了試驗研究。結果表明：與聚脲涂層位于迎爆面和雙面時相比，聚脲位于鋼板背爆面時最能發(fā)揮其抗爆性能，且涂層越厚，復合板的抗爆能力提升越多，如表1 所示。當鋼板背爆面涂覆厚度為n倍鋼板厚度的涂層時，復合板抗爆能力大約提升n×10%。然而，1倍鋼板厚度的聚脲涂層將使得鋼板增重14%，從這個角度講，抗爆能力提升程度/重量增加量＜1。要在大量增重的前提下方可真正體現(xiàn)聚脲的抗爆性能，這與McShane[49]和Ackland[44]的結論是一致的。因此，作者認為可在適當增重的前提下將其應用到已有艦船上，提高其抗爆能力。此外，作者還認為聚脲不適用于近場及接觸水下爆炸防護，因為這兩種情況下爆炸強度很高，隨著鋼板的斷裂破壞，聚脲在還沒來得及發(fā)生大變形時就因為初始缺陷的問題發(fā)生撕裂，不能充分發(fā)揮其耗能特性。

表1 試驗結果統(tǒng)計[7]Tab.1 Statistics of test results[7]

趙鵬鐸等[51]試驗研究了聚脲不同涂覆方式下單鋼板與箱體結構在空氣中的抗爆性能。結果表明，等面密度時迎爆面涂覆聚脲不能提高鋼板的抗爆性能，等鋼板厚度時涂覆聚脲能夠有效提高鋼板與箱體結構分別在外爆與內(nèi)爆載荷下的抗爆性能，且背爆面涂覆時效果優(yōu)于迎爆面涂覆，這與趙延杰[7]的結論一致。

Li 等[52]采用水激波管對聚脲涂覆鋁合金板的抗沖擊性能進行了試驗研究，在試驗過程中還采用三維數(shù)字圖像技術考察了鋁合金板的動態(tài)變形過程。試驗結果表明：鋁合金板的最大變形量隨著涂層厚度的增加呈指數(shù)衰減的趨勢；在典型工況下，迎爆面涂覆鋁合金板的變形量最小，而等面密度雙面涂覆的鋁合金板變形量最大，此結論有待進一步解釋。

代利輝等[9]通過聚脲涂覆鋼板的水下爆炸試驗認為，無論是涂在板的正面還是背面，聚脲都可以顯著提高鋼板的抗爆性能，這與Amini 等[7，39，43，45，49]的觀點不完全一致。此外，作者并沒有考慮質(zhì)量增加帶來的影響。

3 結論和展望

3.1 結論

本文從聚脲的動態(tài)力學行為和聚脲在艦船爆炸防護中的應用兩個方面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結闡述，主要有以下結論：

（1）無論動態(tài)壓縮或是拉伸，聚脲均表現(xiàn)出顯著的應變率效應；從應力-應變曲線上看，可以分為初期的超彈性力學行為和后期的粘彈性力學行為。

（2）在已有的結構（包括墻、建筑、汽車等）上噴涂聚脲彈性體，可以起到防護作用，但隨之而來的是結構增重的問題。

（3）聚脲在艦船上的抗爆防護應用研究較多，目前可以基本明確的是將聚脲涂覆在結構的背爆面與其他涂覆形式相比最能增強結構的抗爆性能；受多種因素制約未能得到其它規(guī)律性的結論。

（4）近些年來國內(nèi)開始對聚脲的水下爆炸防護效果進行了一定的探索研究，但很多都是重復性工作，創(chuàng)新性成果有限；國外對相關問題的研究主要集中在21 世紀初，近年來的研究成果已不多見，從這一點來看，聚脲似乎并未達到預期的防護效果。

3.2 存在的問題

（1）學者們試驗時采用的聚脲材料配方和規(guī)格都不盡相同，得出了差異較大甚至相悖的結論；試驗測試沒有統(tǒng)一的標準，因試驗手段不一引起的測試結果分散度很大。

（2）還沒有一個公認的能較好地模擬聚脲材料動態(tài)力學行為的本構模型，聚脲的動態(tài)斷裂問題目前研究也很少，斷裂判據(jù)的研究還未見到。

（3）關于聚脲涂覆結構的數(shù)值仿真、試驗研究開展了很多，但就聚脲能否有效提高艦船的抗爆性能，目前還沒有一致的結論；根據(jù)本文的分析，目前比較傾向于等面密度情況下聚脲涂覆鋼板較純鋼板無優(yōu)勢這一觀點。

3.3 發(fā)展趨勢

（1）在今后的研究中，首先要廣泛調(diào)研并選型，選取靜態(tài)力學性能較好且專門用于抗爆防護的聚脲涂層作為研究對象，不能隨意選取一種防腐或耐磨型聚脲就開展試驗研究。

（2）應像靜態(tài)力學性能試驗一樣制定超彈性材料動態(tài)力學性能試驗標準（包括拉伸試驗、壓縮試驗等），對試驗裝置、試驗試件、試驗步驟、試驗數(shù)據(jù)處理等做出明確規(guī)定，從而獲得準確可靠的試驗數(shù)據(jù)。

（3）選取合適的本構模型和斷裂準則對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，然后將其嵌入有限元程序中，為解決實際的工程問題奠定基礎。

（4）聚脲涂覆鋼板的動響應過程與防護機理很可能隨爆炸強度的不同發(fā)生變化。應通過水下爆炸試驗標準靶對中遠場、近場、接觸水下爆炸不同情況下的聚脲涂覆鋼板的抗爆性能進行系統(tǒng)化的試驗研究。通過數(shù)值仿真與試驗相結合粘結強度、涂層與鋼板相對位置、厚度匹配等關鍵參數(shù)的影響規(guī)律。