聚脲涂覆结构抗弹抗爆防护性能与机制研究
发布时间：2021-06-29 09:24
聚脲涂层对现代水面舰船装甲的轻量化防护研究具有重要理论意义和工程应用前景。本文以聚脲材料作为钢板/箱结构的防护增强涂层,开展了聚脲涂覆结构抗弹性能与抗爆性能研究,根据试验测试结果,对聚脲涂覆结构的抗弹性能与抗爆性能进行了评估,阐述了涂层类型与涂层位置对抗弹抗爆性能的影响规律以及防护机制。主要工作与结论概括如下:（1）为满足舰船装甲防护结构兼顾抗弹抗爆防护需求,提出了多种载荷类型条件下聚脲涂覆结构抗弹抗爆性能研究的试验方法,包括聚脲涂覆钢板结构抗低速弹体侵彻试验、抗高速弹体侵彻试验,聚脲涂覆钢板结构空爆载荷试验以及聚脲涂覆箱体结构内爆载荷试验。试验结果表明,在已定载荷形式与材料类型情况下可确定最佳涂层位置,以应变率为主导因素的抗弹防护中迎弹面涂层增强效果高于背弹面涂层,而以波阻抗为主导因素的抗爆防护中背爆面涂层增强效果高于迎爆面涂层。（2）以等重防护增强与增重防护增强为涂层应用条件,设计了聚脲涂层与钢质底材组成的多种类型复合结构,以无涂覆底材为基准,分别对应相等面密度与相等厚度底材的聚脲涂覆结构。采用低硬度、高伸长率的软质聚脲为防护涂层,相等厚度底材条件下,软质涂层能够提高涂覆结构抗弹性...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
56mm、12.7mm枪弹与靶板典型破坏情况[6-8]
中北大学学位论文4上述研究内容具体如下：采用12.7mm直径的破片模拟弹丸高速加载并获得无涂层钢板和迎弹面涂层钢板结构的弹道极限，撞击速度范围为800–2000m/s，钢板厚度包括5.1mm、6.4mm与12.7mm三种，涂层厚度范围为6–19mm。通过采用聚脲等多种聚合物材料作为迎弹面涂层，证明了玻璃化转变效应下聚脲涂层的高效吸能作用，通过不同金属材料和表面处理方法形成多种强度与硬度的对比底材，证明了底材表面硬度对涂层形成有效支撑的重要性，通过测量钢板穿孔尺寸差异与有限涂层面积的方法，证明了涂层的横向扩散效应同样能够提高结构抗弹性能，以及聚脲材料纳米增强与薄片化增强等等，如图1-2所示。研究涉及的测试与分析方法以及所得试验结论对聚脲涂层的抗弹防护研究与工程应用具有重要的指导意义。针对美国海军研究中心与海军水面作战中心研究中得到的聚脲玻璃化转变效应的抗弹防护机制，美国克莱姆森大学M.Grujicic等[14]对其形成过程与形成条件进行了数值仿真研究。研究结果表明：玻璃化转变温度与实验温度的差异对聚脲力学响应影响显著，当两者相差较大时聚脲表现出橡胶态行为，而当两者相近时聚脲表现出玻璃态行为。图1-2DIC技术下无涂层、迎弹面涂层与增强涂层钢板的受载情况[12]1.2.1.3聚脲涂层抗其他类型弹体防护研究现状除枪弹、破片模拟弹丸等常规性抗弹性能测试用弹体，对于侵彻型战斗部或飞板撞击等特定防护用途的研究也采用对应的刚性弹体进行模拟加载，通常具有尺寸大、质量大、速度低等特点，相比枪弹与破片对防护装甲形成的贯穿性破坏，该类弹体撞
中北大学学位论文5击下装甲板会产生有大范围的塑形变形失效。美国西北大学L.Xue等[15-16]通过145g尖头和平头两种弹体在多种速度范围条件下分别加载由11.18mm厚聚脲涂层与4.76mm厚DH-36钢板组成的背弹面涂层和夹心涂层复合结构，如图1-3所示，研究得到了钢板层与聚脲层的能量吸收与失效模式差异，并以此分析与说明其抗弹机制。主要结论为：背弹面涂层对能量的损耗主要通过其拉伸变形，且在钢板被完全侵彻时才会产生，尖头弹体撞击时涂层能够延缓钢板失效；弹体撞击速度大于弹道极限时，平头弹体撞击下聚脲涂层的能耗百分比更高，但尖头弹体撞击下背弹面涂层对结构弹道极限提升幅度较高，主要原因为钢板能耗增加；相比背弹面涂层，聚脲涂层作为夹层并不能明显提高结构弹道极限。图1-3145g尖头和平头弹体撞击无涂层钢板与背弹面涂层钢板情况[15]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigating the dynamic mechanical behaviors of polyurea through experimentation and modeling[J]. Hao Wang,Ximin Deng,Haijun Wu,Aiguo Pi,Jinzhu Li,Fenglei Huang. Defence Technology. 2019(06)
[2]高硬度聚脲涂覆FRC复合结构抗冲击性能试验分析[J]. 赵鹏铎,贾子健,王志军,张磊,徐豫新,张鹏. 中国舰船研究. 2019(04)
[3]聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究[J]. 张鹏,王志军,赵鹏铎,张磊,刘瀚,徐豫新. 北京理工大学学报. 2019(04)
[4]高硬度聚脲涂层抗侵性能与断裂机制研究[J]. 张鹏,赵鹏铎,王志军,张磊,任杰,徐豫新. 爆炸与冲击. 2019(01)
[5]聚脲涂覆钢板结构抗爆性能试验研究[J]. 赵鹏铎,张鹏,张磊,王志军,王琪,徐豫新. 北京理工大学学报. 2018(02)
[6]超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验[J]. 任杰,徐豫新,王树山. 爆炸与冲击. 2017(04)
硕士论文
[1]强动载荷下聚脲涂覆钢复合结构防护效应研究[D]. 贾子健.中北大学 2019
[2]聚脲涂层复合结构抗破片侵彻机理研究[D]. 黄阳洋.中北大学 2018
[3]聚脲弹性体喷涂加固复合结构抗爆性能研究[D]. 戴平仁.南京理工大学 2018
[4]聚脲金属复合结构抗冲击防护性能研究[D]. 朱学亮.北京理工大学 2016
[5]聚脲弹性体夹层防爆罐抗爆性能研究[D]. 宋彬.南京理工大学 2016
[6]弹性体涂覆钢筋混凝土板抗爆作用设计方法研究[D]. 蔡桂杰.中北大学 2015
[7]聚脲弹性体复合结构抗冲击防护性能研究[D]. 许帅.北京理工大学 2015
[8]玻璃纤维/聚脲复合材料的微观结构与力学性能研究[D]. 吴冲.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3256189
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
56mm、12.7mm枪弹与靶板典型破坏情况[6-8]
中北大学学位论文4上述研究内容具体如下：采用12.7mm直径的破片模拟弹丸高速加载并获得无涂层钢板和迎弹面涂层钢板结构的弹道极限，撞击速度范围为800–2000m/s，钢板厚度包括5.1mm、6.4mm与12.7mm三种，涂层厚度范围为6–19mm。通过采用聚脲等多种聚合物材料作为迎弹面涂层，证明了玻璃化转变效应下聚脲涂层的高效吸能作用，通过不同金属材料和表面处理方法形成多种强度与硬度的对比底材，证明了底材表面硬度对涂层形成有效支撑的重要性，通过测量钢板穿孔尺寸差异与有限涂层面积的方法，证明了涂层的横向扩散效应同样能够提高结构抗弹性能，以及聚脲材料纳米增强与薄片化增强等等，如图1-2所示。研究涉及的测试与分析方法以及所得试验结论对聚脲涂层的抗弹防护研究与工程应用具有重要的指导意义。针对美国海军研究中心与海军水面作战中心研究中得到的聚脲玻璃化转变效应的抗弹防护机制，美国克莱姆森大学M.Grujicic等[14]对其形成过程与形成条件进行了数值仿真研究。研究结果表明：玻璃化转变温度与实验温度的差异对聚脲力学响应影响显著，当两者相差较大时聚脲表现出橡胶态行为，而当两者相近时聚脲表现出玻璃态行为。图1-2DIC技术下无涂层、迎弹面涂层与增强涂层钢板的受载情况[12]1.2.1.3聚脲涂层抗其他类型弹体防护研究现状除枪弹、破片模拟弹丸等常规性抗弹性能测试用弹体，对于侵彻型战斗部或飞板撞击等特定防护用途的研究也采用对应的刚性弹体进行模拟加载，通常具有尺寸大、质量大、速度低等特点，相比枪弹与破片对防护装甲形成的贯穿性破坏，该类弹体撞
中北大学学位论文5击下装甲板会产生有大范围的塑形变形失效。美国西北大学L.Xue等[15-16]通过145g尖头和平头两种弹体在多种速度范围条件下分别加载由11.18mm厚聚脲涂层与4.76mm厚DH-36钢板组成的背弹面涂层和夹心涂层复合结构，如图1-3所示，研究得到了钢板层与聚脲层的能量吸收与失效模式差异，并以此分析与说明其抗弹机制。主要结论为：背弹面涂层对能量的损耗主要通过其拉伸变形，且在钢板被完全侵彻时才会产生，尖头弹体撞击时涂层能够延缓钢板失效；弹体撞击速度大于弹道极限时，平头弹体撞击下聚脲涂层的能耗百分比更高，但尖头弹体撞击下背弹面涂层对结构弹道极限提升幅度较高，主要原因为钢板能耗增加；相比背弹面涂层，聚脲涂层作为夹层并不能明显提高结构弹道极限。图1-3145g尖头和平头弹体撞击无涂层钢板与背弹面涂层钢板情况[15]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigating the dynamic mechanical behaviors of polyurea through experimentation and modeling[J]. Hao Wang,Ximin Deng,Haijun Wu,Aiguo Pi,Jinzhu Li,Fenglei Huang. Defence Technology. 2019(06)
[2]高硬度聚脲涂覆FRC复合结构抗冲击性能试验分析[J]. 赵鹏铎,贾子健,王志军,张磊,徐豫新,张鹏. 中国舰船研究. 2019(04)
[3]聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究[J]. 张鹏,王志军,赵鹏铎,张磊,刘瀚,徐豫新. 北京理工大学学报. 2019(04)
[4]高硬度聚脲涂层抗侵性能与断裂机制研究[J]. 张鹏,赵鹏铎,王志军,张磊,任杰,徐豫新. 爆炸与冲击. 2019(01)
[5]聚脲涂覆钢板结构抗爆性能试验研究[J]. 赵鹏铎,张鹏,张磊,王志军,王琪,徐豫新. 北京理工大学学报. 2018(02)
[6]超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验[J]. 任杰,徐豫新,王树山. 爆炸与冲击. 2017(04)
硕士论文
[1]强动载荷下聚脲涂覆钢复合结构防护效应研究[D]. 贾子健.中北大学 2019
[2]聚脲涂层复合结构抗破片侵彻机理研究[D]. 黄阳洋.中北大学 2018
[3]聚脲弹性体喷涂加固复合结构抗爆性能研究[D]. 戴平仁.南京理工大学 2018
[4]聚脲金属复合结构抗冲击防护性能研究[D]. 朱学亮.北京理工大学 2016
[5]聚脲弹性体夹层防爆罐抗爆性能研究[D]. 宋彬.南京理工大学 2016
[6]弹性体涂覆钢筋混凝土板抗爆作用设计方法研究[D]. 蔡桂杰.中北大学 2015
[7]聚脲弹性体复合结构抗冲击防护性能研究[D]. 许帅.北京理工大学 2015
[8]玻璃纤维/聚脲复合材料的微观结构与力学性能研究[D]. 吴冲.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3256189
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