摘要
爆炸及冲击荷载造成的破坏是造成结构乃至社会安全的重大危害之一，爆炸引发的结构破坏及破片伤害严重威胁结构及内部人员的安全，聚脲涂层技术作为提高结构抗爆抗冲击性能的有效手段，已成为该领域研究的重点。国内外现有抗爆聚脲材料合成、复合涂层结构设计及其涂层防护混凝土(以下简称涂层混凝土)结构设计研究中，大多仍沿用准静态力学性能评价的方法，导致现有聚脲材料技术无法实现在爆炸载荷作用下涂层混凝土结构不产生破片的防护目标。 本文设计合成具有高韧性、高应变率效应的爆炸防护用系列柔性聚脲和高阻尼性能的新型改性碳纤维增强粘弹性阻尼聚脲(以下简称纤维增强阻尼聚脲)，构建由柔性聚脲和纤维增强阻尼聚脲构成的约束阻尼抗爆新体系。通过动态热机械分析仪、高速液压伺服材料试验机、傅里叶红外光谱仪等对本文研究合成的新型柔性聚脲体系和纤维增强阻尼聚脲的力学特性、损伤机制与吸能机理进行系统地研究。采用爆炸试验与有限元模拟相结合的方法，探讨了防护涂层的防护机理，根据实际防护涂层的爆炸损伤，从宏观、微观角度分别研究了防护涂层的宏观与微观损伤机制;研究了防护涂层位置、种类、厚度以及约束阻尼结构复合涂层体系(以下简称复合涂层)对抗爆性能的影响规律。主要研究结论如下: 新型柔性聚脲体系的硬度及力学强度与硬段含量成正比，断裂伸长率随硬段含量的增加呈下降趋势，硬段含量为40％的柔性聚脲(16-B6)准静态力学性能最佳。柔性聚脲与混凝土之间的附着力最大可达到3.53MPa,满足实际防护需求。E''-30℃/E''70℃和氢键化程度表明柔性聚脲微相分离程度较高，从而使材料具有较好的应变率效应和力学性能，有益于荷载的扩散和对防护结构变形的抑制作用，且材料具有较好的热稳定性。柔性聚脲体系的动态热机械性能转变区温度范围要明显大于其他种类的聚合物，其吸能机理是基于分子链段运动诱导的分子结构的重排、结晶与硬化、粘性耗散以及应变率效应。 纤维增强阻尼聚脲通过改性碳纤维粉对粘弹性阻尼聚脲(Q413t)进行纤维增强，通过对0.5wt％～2.5wt％的纤维增强阻尼聚脲进行筛选，采用2wt％的纤维增强阻尼聚脲(FT)作为阻尼材料，FT的撕裂强度和抗拉强度分别为42.07kN/m和5.57MPa。在合成工艺上，FT与新型柔性聚脲体系均满足SPUA技术和RIM技术的工艺要求，同时适用于大规模喷涂及小面积喷涂应用。受改性碳纤维粉与基体界面处脲键的影响，FT的N-H伸缩振动峰的相对强度高于Q413t，氢键键长稍短于Q413t,FT氢键化程度达到96.96％,微相分离程度较高，具有明显的应变率效应。阻尼性能上，FT具有非晶态线型聚合物的特点，改性碳纤维粉的加入并未影响基体对荷载的响应以及链段运动，且FT具有较宽的有效阻尼温域（-7～79℃）和有效阻尼频域（0～104Hz）,阻尼性能较好。 新型柔性聚脲体系和FT的拉伸与压缩应变率特性研究结果表明，材料在低速拉伸荷载作用下的应变率效应明显，应变率从0.01s-1提高到0.1s-1,柔性聚脲最大工程应力增长幅度在20％～160％,FT最大工程应力增长61％,在高速拉伸荷载作用时，两种材料的应变率效应均有一定程度的减弱。在高速压缩荷载作用时，材料更易结晶硬化，氢键化程度提高，柔性聚脲与FT均表现出明显的应变率效应。柔性聚脲与FT的宏观损伤机制是单轴拉伸与缺陷处应力集中的共同作用，因此柔性聚脲与FT的抗拉强度与撕裂强度具有明显相关性，且随着拉伸速度的提高，材料在变形-破坏过程对局部缺陷的敏感性下降。 不同柔性聚脲、FT及复合涂层的爆炸试验结果表明，在单侧涂层防护中，背爆面涂层防护的防护效果最优，单一涂层防护中最佳防护涂层为NCO％为16％,B组分为B6的柔性聚脲（16-B6）,其破片面积仅为1.91％;约束阻尼涂层结构复合涂层的防护效果要好于单一涂层防护，其破片面积下降至0.20％。基于柔性聚脲和FT在高应变率荷载下的力学响应、阻尼性能以及涂层防护靶板的爆炸损伤情况,防护涂层的力学强度不能作为抗爆防护涂层选择的决定性指标。采用约束阻尼涂层结构进行双面涂层防护的防护效果最优，第一次爆炸后，靶板中心点无位移，相同爆炸条件进行第二次爆炸，靶板中心点最大纵向位移为0.9cm,且具有较好的力学性能，二次爆炸仍实现了零破片的防护目标。爆炸会使迎爆面涂层发生热分解，从而造成分子结构的破坏，对应傅里叶红外光谱中伸缩振动峰的下降，各分子结构的伸缩振动峰仍保持完整，迎爆面涂层分子结构并未完全失效，仍具有较好的爆炸防护性能。 基于涂层混凝土靶板的爆炸试验的有限元模拟表明，对于背爆面涂层混凝土靶板，等厚度比约束阻尼涂层结构复合涂层的防护效果要好于16-B6柔性聚脲背爆面防护靶板的防护效果。双面4mm等厚度比约束阻尼涂层结构复合涂层的爆炸防护效果最优，防护效果与爆炸试验一致。约束阻尼涂层结构的爆炸防护机制是先由阻尼层对靶板变形进行抑制，当阻尼层涂层变形传递给约束层后，约束层作为主要受力涂层抑制靶板变形。同时，约束阻尼涂层结构通过阻尼层与约束层之间的相对位移进行剪切耗能，实现了纤维增强阻尼聚脲与柔性聚脲协同防护的防护目标。 本文通过以上研究，系统分析了新型柔性聚脲体系、纤维增强阻尼聚脲以及约束阻尼结构复合涂层的损伤机制和吸能机理，得到防护涂层位置、厚度以及涂层结构涂层混凝土靶板对抗爆性能的影响规律，实现爆炸载荷下涂层及其防护结构的零破片防护目标，为柔性聚脲和约束阻尼结构复合涂层在抗爆防护领域的应用奠定基础。
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