纖維增強黏彈性阻尼材料與約束阻尼聚脲涂層抗沖擊性能研究

張 銳，黃微波，方志強，孫鵬飛，呂 平

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266033)

結構在正常使用過程中，沖擊荷載會對被撞擊結構表面以及結構產生損壞，甚至會導致結構完全喪失功能性，從而引發二次傷害.對于金屬板、鋼結構和容器等，在外界沖擊荷載作用時，極易引發板的破裂，鋼結構失穩等，造成重大人員財產損失[1].目前，成品油運輸罐車罐體有兩項重要的安全附屬設施：安全閥與緊急切斷閥[2-3].這兩種安全設施都是通過間接的方式切斷氣相和液相與外界的通路，使得容器成為獨立密閉的空間，防止容器液體外漏.對于直接的抗沖擊結構，受結構功能、自重以及結構使用環境等因素限制，設計難度大，因此，發展新型抗沖擊材料和新工藝就顯得尤為重要.

噴涂聚脲彈性體技術是一種高效的涂層防護技術，具有施工方便、質量輕、吸收沖擊能量高的優點，可有效提高結構構件的抗爆性能.該技術于1986年由美國Texaco(現Huntsman)公司化學家Dudley J. Primeaux Ⅱ率先研制成功，1995年，黃微波等對噴涂聚脲體技術進行了前期探索，并于1999年將噴涂聚脲技術成功投入商業應用[4-6].黃微波等[7-12]系統地研究了噴涂聚脲彈性體技術，并應用于防水、耐磨、結構防腐蝕以及結構振動控制等領域，得到了廣泛的工程應用.

為提高罐體結構的抗沖擊性能，本研究基于Qtech T501黏彈性阻尼材料，在黏彈性阻尼材料中加入碳纖維粉進行纖維增強，以提高涂層的抗沖擊性能，研究纖維增強對涂層抗沖擊性能的影響；基于自由阻尼結構(圖1(a))提出了新型抗沖擊結構，將黏彈性阻尼材料作為中間層，覆蓋一層抗沖擊聚脲層，形成約束阻尼抗沖擊結構(圖1(b))，研究等涂層厚度下約束阻尼抗沖擊結構對涂層抗沖擊性能的影響.

圖1 抗沖擊涂層

1 實驗部分

1.1 主要材料和儀器

Qtech T501黏彈性阻尼材料，自制，為雙組分聚氨酯阻尼材料，其中A組分為NCO質量分數為8%的預聚體，B組分為端氨基聚醚與端羥基聚醚的混合物；Qtech MS-1抗沖擊聚脲，自制，為雙組分聚脲材料，其中A組分為異氰酸酯，B組分為氨基化合物；碳纖維粉，1000目；Q235鋼板，300 mm×300 mm×2 mm.

SULZER MixCoatTMDPS 1500-01澆注設備(以下簡稱DPS澆注槍)，瑞士SULZER公司；PHX-40聚脲噴涂設備，美國PMC公司；DH5960動態信號測試分析系統，江蘇東華測試技術股份有限公司.

1.2 抗沖擊涂層及復合抗沖擊鋼板的制備

Qtech T501的A，B組分分別置于電熱烘箱60 ℃預熱10 min，按照A/B組分質量比1.1∶1取出.為保證涂層致密且在澆注結束后可以完全自流平，需將A，B組分放入真空干燥箱中進行加熱抽真空處理，抽真空結束后將A，B組分分別倒入料桶，使用DPS澆注槍澆注到鋼板為底的模具中；纖維增強黏彈性阻尼材料基于Qtech T501，在B組分中加入質量分數為2%的碳纖維粉，加入纖維粉后，使用玻璃棒快速攪拌，為使纖維粉均勻分布在B組分中且不發生團聚現象，攪拌結束后需對B組分進行超聲處理，使碳纖維粉進一步分散.之后對A，B組分加熱抽真空，使用DPS澆注槍澆注到相應的模具中.以上兩種試樣在室溫條件下養護24 h后即可拆除模具，制成自由阻尼抗沖擊結構；約束阻尼抗沖擊結構是在自由阻尼抗沖擊結構的基礎上附加一層約束層，將傳統自由阻尼抗沖擊試樣養護24 h后拆除澆注模具，脫膜養護24 h，使用PHX-40聚脲噴涂設備在阻尼層表面噴涂Qtech MS-1抗沖擊聚脲，制成約束阻尼抗沖擊結構.不同結構復合抗沖擊鋼板編號及涂層厚度見表1.

表1 復合抗沖擊試樣參數

1.3 防護涂層力學性能測試

拉伸性能和撕裂強度的測試參照《建筑防水涂料實驗方法》(GB/T 16777—2008)；硬度測試參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度實驗方法》(GB/T 531.1—2008)，采用邵氏A型硬度儀進行測試.

1.4 落球沖擊試驗

沖擊試驗用于研究材料抵抗動載荷作用的能力，與靜載試驗相比，動荷載對試樣的作用時間很短，瞬間沖擊力遠大于靜力載荷，使材料暴露出在靜載作用下無法表征的力學性能，因此，復合材料的抗沖擊性能需要進行動荷載試驗[13-14].

目前對于復合材料以及結構的抗沖擊性能研究大多都是以落錘沖擊試驗為研究點進行研究，但落錘沖擊試驗的錘頭較為尖銳，在沖擊過程中易給復合結構帶來侵徹破壞，與實際工程領域中的沖擊荷載的作用有區別，不能直接反映出材料在實際工程領域的抗沖擊特性[15].結合實際工程中的沖擊特點，更好地模擬實際的沖擊形態，本文采用落球沖擊試驗法對復合結構進行沖擊試驗.

本次低速沖擊試驗所用的沖擊設備采用自行裝配的落球沖擊測試裝置，如圖2(a)所示.采用直徑110 mm PVC圓管矯正落球軌跡，以保證落球垂直作用于試樣平面；底座為鋼支架，試樣四周施加約束，保證試樣不發生回彈；支座固定于緩沖層上，防止落球對地面造成沖擊損壞.在試樣下表面粘貼應變片，測點布置如圖2(b)所示，沖擊點為試樣幾何中心處，采用DH5960動態信號測試分析系統進行數據采集.

圖2 落球沖擊試驗支架及布點

在沖擊試驗儀上配備激光測距儀，保證落球高度，激光測距儀測距端配有用于沖擊落點標定的激光頭，保證鋼球做自由落體運動擊中沖擊點.落球沖擊裝置可改變試驗鋼球的質量以及鋼球下落高度調整沖擊能量.由于本次試驗是考察單次沖擊作用下復合抗沖擊鋼板的損傷情況，因此試驗設定保證單次沖擊可造成試樣肉眼可觀察到的足夠大的變形量.經過多次預試驗，當鋼球質量為1.8 kg，下落高度為5.0 m左右時，單次沖擊可對試樣產生可觀測破壞，由此確定試驗鋼球質量與下落高度，此時沖擊能量為88.2 J，作用于試樣瞬時速度為9.9 m/s.在沖擊過程中采集試件變形，并得到各測點應變時程曲線，沖擊結束后對試樣下表面損傷情況進行記錄，并用數顯游標卡尺記錄損傷面積的長軸與寬軸的數值.

2 結果與討論

2.1 纖維增強黏彈性阻尼材料與抗沖擊聚脲力學性能

Qtech T501黏彈性阻尼材料、纖維增強黏彈性阻尼材料以及Qtech MS-1的力學性能見表2.

表2 Qtech抗沖擊涂層材料力學性能

根據表2數據，Qtech T501雙組分黏彈性阻尼材料有較大的斷裂伸長率，但拉伸強度和撕裂強度都較低.在此基礎上，反應前在材料B組分中加入質量分數為2%的碳纖維粉進行增強，增強后Qtech T501纖維增強黏彈性阻尼材料的拉伸強度、撕裂強度分別提升82.56%和116.41%，涂層強度大幅度提升.Qtech MS-1抗沖擊聚脲強度高且斷裂伸長率高，作為約束層，其對結構的附加質量小，涂層防護效率高.

2.2 纖維增強對鋼板抗沖擊性能影響

通過動態采集儀對落球沖擊全程的應變進行采集，得到各試樣受落球沖擊后的應變時程曲線(圖3)，進而得到試樣的最大正應變、最大負應變和永久應變(表3).

表3 落球沖擊后試樣應變值 με

試樣設置4個測點，其中1號測點和2號測點互為近沖擊點的平行測點，3號測點和4號測點互為遠沖擊點的平行測點，每種涂層結構有一個平行試樣，以上應變數值為多平行測點試驗所得平均值.從試樣的應變變化可以發現，在增加3 mm阻尼層后，試樣的應變得到大幅度減小，最大正應變和永久應變減小最為明顯；黏彈性阻尼材料加入碳纖維粉雖然對材料本身力學性能有大幅度提升，但纖維增強阻尼鋼板與阻尼鋼板的應變相差不大，纖維增強涂層對阻尼鋼板的抗沖擊性能的影響較小.

圖3為兩類復合材料鋼板與無防護鋼板的應變時程曲線，圖中第一段峰值波形為試樣沖擊變形，之后出現的較小峰為落球落地后沖擊地面引起試樣振動而產生的應變.從圖3可以看出，兩種黏彈性阻尼材料都大幅度減小了基材表面的應變，且在相同厚度的涂層防護下，纖維增強阻尼涂層對基材的防護效率較高；從應變持續時間來看，空白鋼板、阻尼鋼板和纖維增強阻尼鋼板近沖擊點的變形持續時間分別為130.64，65.89和45.95 ms，遠沖擊點處的變形持續時間分別為102.49，70.15和41.85 ms，說明黏彈性阻尼材料在變形過程中吸收了沖擊能量，使變形迅速結束.

以上結果說明阻尼層的加入改變了基材的耗能模式，高速沖擊荷載的作用將機械能傳遞給鋼板，無防護涂層的基材發生變形，將能量以大變形的形式消耗，少部分能量使落球反彈.對于有阻尼層結構，阻尼層受到沖擊后，將一部分能量以分子間運動的形式消耗，轉化為內能，剩余能量透過涂層傳遞給鋼板，由于涂層均勻分布于基材表面，落球沖擊的集中荷載受涂層的作用，應力集中較弱.對比Qtech T501與纖維增強Qtech T501防護的試樣，纖維增強涂層防護的鋼板變形量較小，但受基體阻尼材料的限制，高頻荷載作用下其模量提高較小.此外，由于黏彈性阻尼材料的頻率敏感性，落球沖擊作用時，相較于低頻荷載作用，沖擊點處材料模量提高，材料彈性增強，故落球反彈高度增高.

此外，兩種涂層受落球沖擊后，涂層依舊與基材表面保持緊密，均未發生脫落現象，表明黏彈性阻尼材料與鋼板的附著力滿足低速沖擊的要求.

2.3 約束阻尼復合涂層對鋼板抗沖擊性能影響

約束阻尼鋼板試樣采用3 mm阻尼層和2 mm約束層的設計，此時將阻尼鋼板的阻尼層設計為5 mm，保證兩種涂層厚度一致.

根據表4可以發現，約束層對于近沖擊點處的變形影響較小，相較等涂層厚度的阻尼鋼板其應變基本保持一致，但對于遠沖擊點，其應變有明顯變化，最大正應變、最大負應變和永久應變分別減少11.62%，9.70%和30.44%；阻尼層與約束層密度相同，在等涂層厚度的情況下，約束層的防護效率要高于阻尼層；綜合表3與表4的數據可以發現，無論是否對鋼板進行防護，遠沖擊點背撞面的變形要大于近沖擊點.

表4 落球沖擊后試樣應變值 με

根據自由阻尼結構(FLD)和約束阻尼結構(CLD)的應變時程曲線(圖4)可以發現，兩種結構的應變波形相似，由應變衰減可以發現，自由阻尼結構波形衰減為阻尼波的時間較長，且持續時間較長，近沖擊點與遠沖擊點分別為76.63和52.69 ms；約束阻尼結構波形衰減較快，近沖擊點與遠沖擊點分別為33.39和33.25 ms，表明在相同涂層厚度，約束阻尼結構耗能速度更快.約束阻尼結構由兩種涂層組成，表面的約束層采用高模量的聚脲彈性體材料，當落球作用在涂層表面時，約束層將一部分能量通過彎曲變形消耗，另外一部分傳遞給阻尼層，阻尼層由于約束層的限制，沖擊點發生擠壓變形，其他位置則發生剪切變形，剪切變形的耗能要遠高于自由阻尼涂層的彎曲變形，進而提高了整體涂層的耗能效率.此外，相比于自由阻尼結構，約束阻尼結構在沖擊荷載作用后，由于約束層的剛性較大，能量得以在約束層中得到一定的擴散，進而能量的傳遞更快，防護性能要高于自由阻尼結構.

3 結論

1) Qtech T501黏彈性阻尼材料受落球沖擊后，涂層與基材表面保持緊密，未發生脫落現象，表明黏彈性阻尼材料與鋼板的附著力滿足低速沖擊(9.9 m/s)的要求.

2) 碳纖維粉的加入使Qtech T501黏彈性阻尼材料的抗拉強度、撕裂強度分別提高82.56%和116.41%，并且碳纖維粉使阻尼涂層的防護效率得到提高.

3) 自由阻尼結構和約束阻尼結構都大幅度提高了鋼板的抗沖擊能力，基于約束阻尼理論的聚脲抗沖擊約束阻尼結構提升了傳統自由阻尼結構的防護性能，是一種高效的抗沖擊涂層結構.