CN114210529B - 提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构及制备方法 - Google Patents

提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种提高防弹防爆性能的聚脲‑金属‑聚脲复合结构及制备方法，包括金属层，通过喷涂方式粘接在金属层的第一面的防弹聚脲层，以及粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面的防爆聚脲层，所述防弹聚脲层的厚度为3mm，防爆聚脲层的厚度为5mm‑15mm。通过本发明提供的技术方案，利用聚脲弹性体在强冲击下的硬化、强化及界面失效对聚脲‑金属复合结构的防弹与防爆性能的增强机制，结合冲击波传播规律提出具体的喷涂位置及对应的喷涂厚度，同时实现使与原有防护材料/结构具有最大程度的防弹防爆综合性能，对轻质防护领域做出重大进展。

Description

提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构及制备方法
技术领域
本申请涉及安全防护领域，特别是涉及一种提高防弹防爆性能的聚脲- 金属-聚脲复合结构及制备方法。
背景技术
爆炸发生时往往同时产生破片与爆炸冲击波，应对此事件就必须要求防护材料/结构在固定面密度下具有尽可能高的防弹防爆综合性能。针对破片侵彻和爆炸冲击波载荷的作用时间和载荷压力幅值，所需的防护材料/结构就应具有高的单位质量瞬态比强度和比韧性。在应对爆炸事件的轻质防护领域，通常是采用金属或者其复合材料，比如常见的金属装甲材料，但存在单位质量比强度相对较低，难以满足同时实现轻质防弹与防爆的要求的弊端。
近年来，密度低、韧性强的聚脲弹性体因其优异的动态力学性能，在冲击防护领域备受关注。该材料在强冲击下单位质量瞬时比刚度与单位质量比强度显著提高：当冲击压力达到10GPa时，其单位质量瞬时比刚度与单位质量比强度可提高两个量级以上。更重要的是，日趋成熟的聚脲弹性体喷涂技术使该材料大范围推广应用也成为可能。但到目前为止，还未有研究出如何在原有防护材料的基础上喷涂聚脲以同时充分提高其防弹防爆综合性能。因此，有必要联合聚脲喷涂技术和轻质防护材料，提供一种同时满足对破片侵彻和爆炸冲击波的防护要求的新型防护材料/结构，对轻质防护领域做出重要贡献。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提出了一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，可以充分利用聚脲强冲击下的硬化、强化特性，并结合冲击波传播规律设计聚脲的喷涂位置及厚度，同时提高了原有金属层防弹防爆综合性能的目的。
本发明的技术方案是：
一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，包括金属层，通过喷涂方式粘接在金属层的第一面的防弹聚脲层，以及粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面的防爆聚脲层，所述防弹聚脲层的厚度为3mm，防爆聚脲层的厚度为5mm-15mm。
可选地，所述金属层为钢板。
可选地，所述金属层的厚度为3mm-10mm。
可选地，所述防爆聚脲层的厚度为9mm。
可选地，所述金属层的弹性模量为50GPa-300GPa，初始屈服强度为 200MPa-1GPa。
相应的，本申请还提供了一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、以异氰酸酯组分和氨基化合物组分为原料，制备得到匀质后的反应产物；
S2、将匀质后的反应产物喷涂粘接在金属层的第一面，形成防弹聚脲层；其中，防弹聚脲层的喷涂厚度为3mm；
S3、将匀质后的反应产物继续喷涂粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层；其中，防爆聚脲层的喷涂厚度为5mm-15mm；
S4、将步骤S3两面喷涂后的金属层静置一段时间，得到聚脲-金属-聚脲复合结构。
在进一步的技术方案中，步骤S1具体包括以下步骤:
S11、按照摩尔比分别称取所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分，并将所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分分别置于两个原料桶备用；
S12、通过喷涂主机控制料泵同时提取两个所述原料桶内的组分，并将两个所述组分分别泵入加热保温软管，保持所述加热保温软管温度恒定，得到预热后的异氰酸酯组分和预热后的氨基化合物组分；
S13、将所述预热后的异氰酸酯组分和所述预热后的氨基化合物组分输入气枪内进行高压雾化，得到匀质后的反应产物。
可选地，步骤S2的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪口直接喷涂在金属层的第一面，形成防弹聚脲层；
步骤S3的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪口直接喷涂在金属层的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层。
可选地，所述异氰酸酯组分和氨基化合物组分的摩尔比为1.05:1。
可选地，所述步骤S3中加热保温软管的管长为15m，管内的温度为 30℃。
与现有技术相比，本申请包括以下优点：
本发明提供的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，包括金属层，通过喷涂方式粘接在金属层的第一面的防弹聚脲层，以及粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面的防爆聚脲层，所述防弹聚脲层的厚度为3mm，防爆聚脲层的厚度为5mm-15mm。通过采用本申请的技术方案，利用聚脲弹性体在强冲击下的硬化、强化及界面失效对聚脲-金属复合结构的防弹与防爆性能的增强机制，结合冲击波传播规律提出，在3-10mm厚金属层前面喷涂3mm厚聚脲高效提高其防弹性能，同时在金属层背面喷涂 5mm-15mm厚聚脲提高其防爆性能，从而通过在金属层两面喷涂对应的喷涂厚度，同时实现使原有金属层具有最大程度的防弹防爆综合性能，对轻质防护领域做出重大进展。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例示出的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的结构示意图；
图2是本申请一实施例示出的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法的工艺流程图；
图3是本申请一实施例示出的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法的步骤流程图；
图4是本申请一实施例示出的防弹聚脲层的厚度对防弹性能影响的指标图；
图5是本申请一实施例示出的防爆聚脲层的厚度对防爆性能影响的指标图；
图6是本申请一实施例示出的固化后聚脲的应力应变曲线图；
图7是本申请一实施例示出的各试验例的防弹-防爆综合性能图。
附图标记说明：
1、金属层；2、防弹聚脲层；3、防爆聚脲层；4、破片；5、爆炸冲击波；6、原料桶；7、料泵；8、输料管；9、喷涂主机；10、保温加热软管； 11、气枪；12、钢板-聚脲-钢板；13、钢板-聚脲；14、3mm聚脲-5mm钢板 -9mm聚脲；15、6mm聚脲-5mm钢板-6mm聚脲；16、9mm聚脲-5mm钢板-3mm聚脲；17、聚脲-钢板。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参照图1所示，图1示出了本发明的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的结构示意图。本发明第一方面提供了一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，包括金属层1，通过喷涂方式粘接在金属层1的第一面的防弹聚脲层2，以及粘接在金属层1的与所述第一面相背离的第二面的防爆聚脲层3，所述防弹聚脲层2的厚度为3mm，防爆聚脲层3 的厚度为5mm-15mm。
其中防弹聚脲层2主要抵抗破片4侵彻，作为起到防弹作用的前层聚脲层。由于冲击波传播规律，当防弹聚脲层2超过3mm后，继续增加厚度导致该层对结构防弹性能的提高效率明显降低。因此，对于储能耗能能力及对破片侵彻的抵抗力，防弹聚脲层2的厚度需要固定为3mm。
其中防爆聚脲层3主要抵抗爆炸冲击波5，作为起到防爆作用的后层聚脲层。而且当随着防爆聚脲层3厚度的增加，该层对结构防爆性能的提高效率基本保持。因此将防爆聚脲层3的厚度设置为5mm-15mm，满足轻质防护需求并且防爆提高率达到15％-35％。
优选地，金属层1采用钢板结构，钢板厚度优选为3mm-10mm。防爆聚脲层3的厚度优选为9mm。钢板作为防护基材，抗破坏性冲击能力强，厚度可调范围广，作为爆炸防护材料性能表现优异，另外钢板的表面质量稳定，遇到高温涂层可避免产生形变，适用于跟聚脲喷涂技术结合。通过设定喷涂位置增加其防弹防爆性能，其中喷涂位置设定为第一面作为防弹聚脲层2时直面爆炸物，以防爆炸破片4；同时喷涂位置设定为第二面作为防爆聚脲层 3时靠近防护物，以缓冲爆炸冲击波5。
可选地，金属层的弹性模量为50GPa-300GPa，初始屈服强度为 200MPa-1GPa。更可选地，钢板的弹性模量为200GPa-300GPa。本发明采用 4303不锈钢板，厚度0.5mm，长1m-6m可选,宽1m-3m可选。
上述技术方案的工作原理如下：
爆炸同时产生破片4与爆炸冲击波5，金属层1相对两面喷涂粘接聚脲，其中，破片4作用时，3mm厚的防弹聚脲层2作为迎爆面保证了冲击波的快速反射叠加，产生高达8GPa的压力，使聚脲瞬时模量与强度提高两个量级，有效抵抗破片4侵彻，同时防爆聚脲层3作为背爆面有效延缓金属层1 失效、缓冲钝化的破片4，显著提高了金属层1的防弹性能；爆炸冲击波5 作用时，双层界面脱粘增加耗能，脱粘的防爆聚脲层3动态大变形抑制大量的动能及内能转化到金属层1，显著提高了金属层1的防爆性能。
在另外一个实施例中，所述金属层1的厚度为5mm。金属层1例如钢板的厚度为5mm时，满足轻质防护的条件下，作为复合钢板、装甲钢板、高压容器钢板等防护材料，当其承受一定的冲击时，仍具有高强度及耐疲劳性能。
在另外一个实施例中，所述防爆聚脲层3的厚度为9mm。在爆炸冲击波5的作用下，喷涂在金属层1上的聚脲层会发生大面积脱粘，其中防爆聚脲层3通过动态大变形抑制大量的动能及内能转移到金属层1，对金属层1 防爆性能的提升显著；并当随着防爆聚脲层3厚度的增加，该层对结构防爆性能的提高效率基本保持。因此保持其防爆性能达到20％上，并降低其使用重量，将防爆聚脲层3的厚度设定为9mm。
参照图2和图3所示，图2示出了本发明的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法的工艺流程图；图3示出了本发明的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法的步骤流程图。通过本发明第二方面提供的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、以异氰酸酯组分和氨基化合物组分为原料，制备得到匀质后的反应产物；
S2、将匀质后的反应产物喷涂粘接在金属层1的第一面，形成防弹聚脲层2；其中，防弹聚脲层2的喷涂厚度为3mm；
S3、将匀质后的反应产物继续喷涂粘接在金属层1的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层3；其中，防爆聚脲层3的喷涂厚度为 5mm-15mm；
S4、将步骤S3两面喷涂后的金属层1静置一段时间，得到聚脲-金属- 聚脲复合结构。
在另外一个实施例中，步骤S1具体包括以下步骤:
S11、按照摩尔比分别称取所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分，并将所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分分别置于两个原料桶6备用；
S12、通过喷涂主机9控制料泵7同时提取两个所述原料桶6内的组分，并将两个所述组分分别泵入加热保温软管10，保持所述加热保温软管10温度恒定，得到预热后的异氰酸酯组分和预热后的氨基化合物组分；
S13、将所述预热后的异氰酸酯组分和所述预热后的氨基化合物组分输入气枪11内进行高压雾化，得到匀质后的反应产物。
在另外一个实施例中，步骤S2的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪11的枪口口直接喷涂在金属层1的第一面，形成防弹聚脲层2；
步骤S3的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪11的枪口直接喷涂在金属层1的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层3。
在另外一个实施例中，所述异氰酸酯组分和氨基化合物组分的摩尔比为 1.05:1。
在另外一个实施例中，所述步骤S3中加热保温软管10的管长为15m，管内的温度为30℃。
参照图6，图6为本发明固化后聚脲的应力-应变曲线图。本具体实施方式中，步骤S4两面喷涂后的金属层即未固化的聚脲-金属-聚脲复合结构的静置时间为24h，以此保持其常温固化后的界面粘接效果，固化后聚脲在不同应变率下的单轴压缩应力应变曲线如图6所示，喷涂固化后的聚脲-金属界面强度为60MPa-100 MPa。
其中，所述聚脲喷涂技术可以在能够实现上述条件的任何喷涂主机9中进行。
需要特别说明的是，本发明全文所述的加热保温软管10内有两根同样的加热保温支管(图中未示出)并拢平行沿着气枪11的方向延伸，两个所述组分分别沿着两个加热保温支管进入气枪内从而进行高压雾化。
相应地，在本实施例中，喷涂主机9、加热保温软管10及喷涂气枪11 等设备采用现有技术，因此，本实施例将不再赘述其相关的原理与构造。
实施例1：
本实施例用于进一步说明本发明一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，将异氰酸酯组分(型号CDMDI-100L))和氨基化合物(型号Versalink P-1000)按照预设定摩尔比为1.05:1分别预装在两个原料桶6内，启动喷涂主机9控制料泵7，将异氰酸酯组分和氨基化合物通过喷涂主机9的两根输料管8同时提取到喷涂主机9内后，泵入长15m、管内恒温30℃的加热保温软管10，直接进入喷涂气枪11，经过在喷涂气枪11 内的高压气雾对撞混合反应后，立即通过气枪口直接喷涂粘接到5mm厚的钢板的第一面，喷涂厚度为3mm，形成防弹聚脲层2；防弹聚脲层2喷涂完毕后，继续将聚脲通过气枪口直接喷涂在钢板与第一面相对的第二面上，喷涂厚度为9mm，形成防爆聚脲层3。最后，将两面喷涂后复合钢板常温固化 24h，得到3mm聚脲-5mm钢板-9mm聚脲14复合结构。
实施例2:
在实施例1所述的方法的基础上，防爆聚脲层3的喷涂厚度为5mm。
实施例3:
在实施例1所述的方法的基础上，防爆聚脲层3的喷涂厚度为15mm。
实施例4:
在实施例1所述的方法的基础上，防弹聚脲层2的喷涂厚度为5mm。
实施例5:
在实施例1所述的方法的基础上，防弹聚脲层2的喷涂厚度为2mm。
实施例6:
在实施例1所述的方法的基础上，防弹聚脲层2的喷涂厚度为6mm，防爆聚脲层3的喷涂厚度为6mm，得到6mm聚脲-5mm钢板-6mm聚脲15 复合结构。
实施例7:
在实施例1所述的方法的基础上，防弹聚脲层2的喷涂厚度为9mm，防爆聚脲层3的喷涂厚度为3mm，得到9mm聚脲-5mm钢板-3mm聚脲16 复合结构。
图5为防爆聚脲层的厚度对防爆性能影响的指标图，如图5所示，由于在爆炸冲击波5的作用下，喷涂在钢板上的聚脲层会发生大面积脱粘，其中防爆聚脲层3则通过动态大变形抑制大量的动能及内能转移到钢板。可知实施例1-3中当随着背面聚脲层厚度的增加，本方法制备的聚脲-金属-聚脲结构防爆性能随着厚度的增加而增加。
图4为防弹聚脲层的厚度对防弹性能影响的指标图，如图4所示，由于冲击波传播规律，其中实施例1、实施例4-5中当前层聚脲厚度超过3mm 后，继续增加厚度导致该层对结构防弹性能的提高效率明显降低。因此，对于储能耗能能力及对破片侵彻的抵抗力，防弹聚脲层2的厚度需要固定为 3mm。
因此，从实施例1-5可以毫无疑义得到，针对轻质防护的需求，将防弹聚脲层2的厚度固定为3mm且保持防爆性能提高到20％的实施例1作为本发明最优选的试验对象，将实施例1进行相应地实验测试。
性能测试：
将本发明制备得到的提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构进行相应的试验测试。
测试准备：以PU-1000聚脲为试验对象，将本发明提供的实施例1，实施例6-7作为实验例，将只在钢板的迎爆面喷涂了的聚脲的聚脲-钢板17作为对比例1，将只在钢板的背爆面喷涂了的聚脲的钢板-聚脲13作为对比例 2，将钢板-聚脲-钢板12复合结构作为对比例3，使用ABAQUS软件进行建模及求解。破片选MIL-DTL-46593B(MR)标准中的0.5口径破片模拟子弹，爆炸载荷使用CONWEP函数施加，TNT当量为557g，爆距为51.5mm。防弹性能通过结构弹道极限评估，弹道极限定义为子弹穿透结构最低速度与未穿透最高速度的平均值，评估时两速度差不超过5m/s。防爆性能通过钢板历史最大挠度评估。
需要注意的是，所有试验例中，聚脲的总计喷涂厚度及钢板的厚度，钢板的型号均保持一致，避免由于聚脲与钢板的复合面密度不一致而导致的性能测试结果的偏差。即对比例1(聚脲-钢板17)为12mm厚的聚脲和5mm 厚的钢板；即对比例2(钢板-聚脲13)为5mm厚的钢板和12mm厚的聚脲；对比例3(钢板-聚脲-钢板12)为2.5mm厚的钢板、12mm厚的聚脲和2.5mm 厚的钢板。
测试结果如下：
表1为各试验例的性能测试结果表：
表1：
Figure BDA0003360499830000101
图7为各试验例的防弹-防爆综合性能图，如表1和图7所示，数值模拟评估了在5mm厚的钢板基础上以6种不同形式喷涂12mm厚聚脲对应结构的防弹与防爆性能提高。由结果可知，相较于其他结构，本发明涉及的喷涂技术所形成的聚脲-钢板夹芯结构3mm聚脲/5mm钢板/9mm聚脲14结构具有优异的防弹防爆综合性能。具体地，从实施例1和实施例6得知，当防弹聚脲层2和防爆聚脲层3的厚度相等时，防弹防爆综合性能下降；从实施例1和实施例7得知，当防弹聚脲层2大于防爆聚脲层3的厚度时，或者两者的厚度同等转换，防弹防爆综合性能直降。因此，特定的喷涂位置及喷涂厚度是实现兼具防弹防爆性能的决定性因素。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
以上对本申请所提供的提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构及制备方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，其特征在于，包括金属层，通过喷涂方式粘接在金属层的第一面的防弹聚脲层，以及粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面的防爆聚脲层，所述防弹聚脲层的厚度为3mm，防爆聚脲层的厚度为5mm-15mm；其中，所述防弹聚脲层的位置和厚度基于冲击波的传播规律设定；所述金属层的弹性模量为50GPa-300GPa，初始屈服强度为200MPa-1GPa。
2.根据权利要求1所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，其特征在于，所述金属层为钢板。
3.根据权利要求1所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，其特征在于，所述金属层的厚度为3mm-10mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构，其特征在于，所述防爆聚脲层的厚度为9mm。
5.一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以异氰酸酯组分和氨基化合物组分为原料，制备得到匀质后的反应产物；
S2、基于冲击波的传播规律，将匀质后的反应产物喷涂粘接在金属层的第一面，形成防弹聚脲层；其中，防弹聚脲层的喷涂厚度为3mm；
S3、将匀质后的反应产物继续喷涂粘接在金属层的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层；其中，防爆聚脲层的喷涂厚度为5mm-15mm；
S4、将步骤S3两面喷涂后的金属层静置一段时间，得到聚脲-金属-聚脲复合结构；
所述金属层的弹性模量为50GPa-300GPa，初始屈服强度为200MPa-1GPa。
6.根据权利要求5所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤:
S11、按照摩尔比分别称取所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分，并将所述异氰酸酯组分和所述氨基化合物组分分别置于两个原料桶备用；
S12、通过喷涂主机控制料泵同时提取两个所述原料桶内的组分，并将两个所述组分分别泵入加热保温软管，保持所述加热保温软管温度恒定，得到预热后的异氰酸酯组分和预热后的氨基化合物组分；
S13、将所述预热后的异氰酸酯组分和所述预热后的氨基化合物组分输入气枪内进行高压雾化，得到匀质后的反应产物。
7.根据权利要求5所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，其特征在于，
步骤S2的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪口直接喷涂在金属层的第一面，形成防弹聚脲层；
步骤S3的步骤为：将所述匀质后的反应产物通过气枪口直接喷涂在金属层的与所述第一面相背离的第二面，形成防爆聚脲层。
8.根据权利要求6所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，其特征在于，所述异氰酸酯组分和氨基化合物组分的摩尔比为1.05:1。
9.根据权利要求5所述的一种提高防弹防爆性能的聚脲-金属-聚脲复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中加热保温软管的管长为15m，管内的温度为30℃。
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