石油石化领域的爆炸破坏危及工业生产、人民生活乃至社会安全，提高相关结构及设备设施的抗爆抗冲击能力是石油石化行业亟须解决的关键技术问题。国家标准GB/T50779—2022《石油化工建筑物抗爆设计标准》的颁布实施，为提高既有建筑物抗爆能力提供了规范的方案。目前对于提高结构防护性能有2种方法：一是研发和使用新的材料，提高材料本身的性能；二是改进现有的防护结构，通过结构的吸能机理提升性能。喷涂聚脲弹性体材料（以下简称聚脲材料）作为一种新型的高分子材料，由异氰酸酯组分和氨基化合物的加聚反应产生，其中异氰酸酯是异氰酸酯组分中的主要原料之一，芳香族端氨基聚醚和脂肪族端氨基聚醚为主要的氨基化合物。聚脲材料凭借优异的力学性能，被广泛运用于抗爆抗冲击领域。抗冲击结构通过其自身吸能机理对冲击荷载进行吸收，从而提高了结构本身的抗冲击能力。由于聚脲材料作为涂层材料在面临冲击时可以通过变形吸收能量，极大地增强结构的防护性能，因此为减少受到冲击荷载时结构产生的破坏，将聚脲材料运用于抗爆抗冲击领域逐渐成为国内外的研究热点。

本文首先介绍了聚脲材料的抗冲击性能，并对国内外现阶段聚脲材料抗冲击性能的研究工作进行了总结，综述了聚脲材料作为防护涂层的吸能机理，简要阐述了抗冲击复合结构的研究进展，并提出聚脲材料及复合结构目前在抗冲击领域的研究问题及发展方向。

一、聚脲材料的抗冲击性能

聚脲材料具有良好的力学性能和耗能特性，科研人员通过在结构基材上喷涂聚脲材料，以增强其在发生事故时抵御撞击的能力，因此有必要对作为防护涂层的聚脲材料进行抗冲击性能方面的研究。

1.1 聚脲材料抗冲击性能的研究方法

聚脲材料的抗冲击性能研究方法按照应变率由低到高有落锤冲击试验、霍普金森压杆试验和现场爆炸试验。落锤冲击试验中由于撞击不会对聚脲表面产生侵彻破坏，故可以直观地展现聚脲材料在低应变率下的抗冲击性能。金浩法利用落球装置对聚脲涂层施加竖向冲击荷载，探究了聚脲涂层面对冲击荷载时的抗冲击性能，整体看来聚脲涂层为防护结构提供了有效的保护作用，形变值得到有效降低，与纯铝管结构相比变形大幅降低，发挥出了良好的抗冲击效果。张锐等通过将聚脲涂层作为约束层附着在基材表面，并采用落球冲击试验对抗冲击结构进行测试，试验发现聚脲涂层大幅减小了钢板表面变形，从而提高了钢板抗冲击性能。

霍普金森压杆测试系统是一种目前被普遍认可并广为应用的材料动力学行为测试技术，它所测量的应变率范围也是聚脲材料应变率变化比较剧烈的范围。Akl等使用霍普金森压杆对聚脲复合材料在冲击载荷下的行为进行了理论和实验研究，结果表明，在金属层涂覆聚脲可以减少复合材料所经历的应变和应力。面对冲击时，聚脲会对冲击载荷产生抑制作用。为分析聚脲材料在动态载荷下的力学性能变化规律，贾子健等采用霍普金森压杆系统进行了研究，观察到聚脲材料在动态载荷作用下切线模量不断降低，应力波在传播过程中自身能量逐渐降低，形成本构弥散。Guo等通过使用霍普金森压杆对聚脲涂层混凝土在不同应变率下的动态性能和破坏模式进行了研究，如图1所示，由于聚脲涂层材料的保护作用，正面涂覆聚脲的混凝土试件其耗能效果较好，同时混凝土和聚脲涂层混凝土的冲击压缩强度与应变率呈正相关，聚脲在荷载作用下通过与混凝土协同变形，抑制了混凝土裂缝的扩展。

图1 不同应变率下混凝土和聚脲混凝土的动态压应力-应变曲线

聚脲材料作为涂层应用时，可能会面对火灾、爆炸等危险情况，因此对于爆炸产生的高频冲击荷载，多使用现场试验的方法进行抗冲击性能研究。Wu等研究了聚脲涂层对普通钢筋混凝土（NRC）板抗爆性能的影响，爆炸试验发现聚脲涂层的加固有效地防止了试件的大挠度变形，聚脲材料通过吸收爆炸时的冲击能量，减小了板的残余位移。为了优化聚脲的抗爆抗冲击性能，黄微波团队选用抗爆专用聚脲，深入研究其抗爆抗冲击性能及机理，进行了大量的现场爆炸试验。其中，Lyu等通过现场试验和数值模拟发现，聚脲材料防护的钢筋混凝土板在爆炸冲击荷载下，凭借迎爆面涂层和背爆面涂层抗冲击效果的协同作用，可以良好地保证结构的完整性和稳定性。孙鹏飞等研究了聚脲涂层在爆炸载荷下对混凝土板的防护效果，并进行了现场爆炸试验，观察到聚脲涂层混凝土在迎爆面出现了局部撕裂破坏，而内部混凝土板并未出现变形。张锐等通过接触爆炸试验，并对比未涂覆聚脲的混凝土板，发现聚脲涂层混凝土板的损伤面积在面对爆炸时产生的冲击荷载下明显减少，聚脲防护涂层在高速荷载脆性断裂机制和拉伸断裂机制中表现更佳。方志强等发现爆炸试验后聚脲涂层背爆面没有发生破坏和凸起，其原因是聚脲材料优异的力学性能导致材料在面对温度升高时内部分子链重新组合，最终使其能够承受爆炸产生的冲击荷载并表现出更强的包覆能力。

使用落球通过装置、霍普金森压杆等研究方法能够对聚脲材料的抗爆抗冲击性能测试提供更准确的数据，发现聚脲材料能够减小结构受到荷载时产生的破坏，减小结构的形变并保证结构的完整性。

1.2 聚脲材料的应变率效应

聚脲材料独特的分子结构使得聚脲材料具有优异的力学性能和复杂的应变率效应。Roland等研究发现在动态载荷下，聚脲材料由于不同的应变率会有不同的应力-应变行为。聚脲材料状态会随着应变率的变化而发生变化，甘云丹等通过试验得到了聚脲材料在准静态和动态压缩载荷下的力学响应，发现随着加载速率的升高，聚脲材料表现出明显的应变率效应，其力学性能会得到一定的提升。Cui等在对不同加载速率下的聚脲材料力学性能的研究中发现，在拉伸载荷作用下，屈服应力和强度随着应变率的增加而增大，而断裂应变则减小，并且他认为应变率效应发生的关键因素与软硬段在不同加载速率下的作用有关。

环境是聚脲材料应用的重要因素，聚脲材料应该具有良好的环境适应性。王波等通过对聚脲材料开展准静态压缩和动态压缩实验，发现聚脲材料会出现普弹性、高弹性和非线性变形3个阶段，极大地提高了聚脲材料在面对不同环境和冲击荷载时的适应性。面对不同应变率下的单轴压缩试验，Sarva等发现聚脲材料具有明显的非线性变化和应变率效应，随着应变率的提升，聚脲材料会出现由橡胶态向玻璃态过渡的行为，借此提高了聚脲材料的抗冲击性能。对于聚脲由准静态加载下的橡胶态转变为动态加载下的玻璃态力学行为，Guo等则通过进一步的力学分析发现，聚脲材料在这一玻璃化转变过程中会产生大量的能量耗散。贾子健等发现聚脲材料不仅存在低应变率下的橡胶态过渡玻璃态转变，同时在增大的应变率作用下，聚脲材料发生断裂的能量会逐渐增大，递减硬化特性更加明显。李鹏等根据时温等效原理，发现应变率较低时聚脲材料表现出橡胶态，但当冲击频率足够高时，材料会向玻璃态转变，也使得涂层的力学性能显著提高，这一现象与张锐等发现聚脲材料应变率敏感性受频率影响明显的结论相吻合。Liu等分析了聚脲材料在不同应变率和温度下的应力-应变曲线，结论表明聚脲材料会表现出明显的硬化现象，应力与应变率成正比，但由于材料本身会随着温度的升高出现软化现象和应力降低，因此聚脲材料的硬化现象并不明显。

综上，聚脲材料具有优异的力学性能，在受到频率、温度等环境影响时，具有不同的应变率敏感性；同时在较宽的应变率区段内，随着应变率的增加，聚脲的力学性能有一定的提高，会从橡胶态向玻璃态转变，并在变形过程中消耗大量能量，从而提高抗冲击性能。

1.3 聚脲材料抗冲击性能的影响因素

1.3.1涂层厚度

聚脲材料作为吸能涂层时，其涂层厚度对结构的抗冲击能力有着巨大影响。Chu等研究了在破片模拟弹（FSP）冲击下聚脲涂层厚度的影响，结果表明增加涂层厚度可以降低FSP在侵彻过程中的能量耗散，加强涂层的抗冲击能力。Tao等通过对涂覆聚脲材料的墙体进行试验，发现喷涂3mm聚脲材料的砖墙出现轻微凹陷但墙体并未产生碎片，而喷涂4mm聚脲材料的墙体则未出现破坏，显示出良好的抗冲击能力。Mohotti等对弹丸速度为5~15m/s下不同厚度的聚脲涂层的复合板进行试验，推导出复合板结构降低撞击的能力。由图2可以看出，弹丸动能为508J时的12mm厚的聚脲涂层吸收了约20%的耗散能量，而在图3中，厚度为前者一半的聚脲涂层在弹丸动能为423J时仅吸收约9%的能量，通过两图对比发现当聚脲作为抗冲击材料时，其涂覆厚度越大，越有助于降低残余速度，从而吸收能量，减小冲击破坏。Liu等对相同面密度下的聚脲钢与裸钢之间吸能差异进行比较发现，表面喷涂聚脲材料可延缓金属颈缩失效，同时聚脲材料的杨氏模量在80~160MPa时，最佳厚度比会由2.2增加到4.6。因此可以发现涂层厚度对于提高聚脲材料变形时消耗能量的能力有着重要的作用，有利于增加聚脲材料的防护效果。

图2 涂有12 mm聚脲涂层的复合板的能量吸收能力

图3 涂有6 mm聚脲涂层的复合板的能量吸收能力

1.3.2复合涂层结构

目前聚脲涂层的构造主要是进行单一材料涂层的抗冲击性研究，但由于基材会出现变形或表面不规则引起应力集中，因此加固材料将无法达到极限应变状态，而采用复合涂层的方法能够更好地提高聚脲材料的抗冲击性。孙鹏飞对比了聚脲涂层钢板和改性玻纤/聚脲涂层钢板的宏观破坏模式，发现复合涂层钢板的变形程度降低幅度最大，并由于玻纤/聚脲界面的存在，吸收了大量的应力波能量，导致涂层的耗能能力更强。Ak?n等通过在混凝土与纤维增强聚合物之间填充聚脲涂层来增加约束效果，结果表明，聚脲涂层提高了极限应变能力，并借助材料对应变增强率的影响，提高了加载循环次数。张锐等使用与前者不同的方法，采用纤维增强的方式合成了纤维增强聚脲材料，发现相比传统聚脲材料，纤维增强聚脲材料的抗拉和撕裂强度得到明显增强，并且提升了阻尼涂层的防护效率。

综合以上国内外学者的研究，分析不同研究方法获得的试验结果，发现聚脲材料可以减小结构面对冲击荷载时的表面变形，表现出良好的抗冲击性能，而涂层厚度和复合涂层结构可以影响到聚脲材料的抗冲击性能。聚脲材料在不同应变率下会有不同的应力-应变行为，高应变率下材料状态出现由橡胶态向玻璃态转变的现象，同时具有良好的环境适应性，保证了结构可靠性和功能稳定性。

二、聚脲材料的抗冲击机理

2.1 材料与基材之间的阻抗失配

压力波在受到爆炸或冲击时会在结构中进行传播，其中能量可以通过塑性和黏弹性变形等机制在结构中耗散，Rahimzadeh等认为黏弹性材料可以保护多种结构，但为了实现这一概念，必须以多层设计的方式进行实现，其中应力波在外层调整到与黏弹性层相匹配的临界阻尼频率，而后通过多次加载-卸载循环后完成短时间内的能量耗散，由于阻抗失配可以控制传输压力，因此聚脲与基材之间需要较合适的阻抗失配来进行调谐，从而提高应力波的传输效率，将损伤模式转变为压力控制。

在Chen等的研究中，聚脲衬垫层在吸收因剥落和变形产生的能量的同时会吸收前后层脱黏的能量，聚脲碎片剥落时的动能会影响到衬垫层的能量吸收，因此在应力波传输过程中聚脲与基材之间的阻抗失配是导致聚脲抗冲击性的主要原因。在此实验的基础上，Hou等通过实验和数值分析，从应力波传输的角度研究了不同结构的聚脲涂层钢板的耗能机理，基于复合材料之间的阻抗失配，聚脲涂层钢板的失效模式会由于结构的变化产生变化，聚脲涂层和夹层聚碳纤维主要通过剥落和变形的方式耗散能量。Wu等发现了面对爆炸产生的高频冲击荷载时，聚脲材料与基材的阻抗失配对复合结构产生的影响，当聚脲涂层与金属基材之间黏结不够牢固的话，界面连接处的惯性变形使得两者产生分离现象，会削弱应力波在复合结构中的反射卸载效应，导致变形挠度增加，从而相对增大基材的损伤程度。综上，当聚脲与基材之间阻尼频率不匹配时，两者之间会出现阻抗失配现象，这一现象能够影响到材料的能量吸收效果，进一步影响到结构的失效模式。

2.2 聚脲材料的微结构与氢键化作用

聚脲的软段由聚醚链形成无定形结构域，而硬段由尿素键组成，形成由氢键连接的硬段微相结构域，在其分子链中，软段以高弹态形式出现，而硬段则处于玻璃态或结晶态，Yao等研究了聚脲的减振和抗冲击原理，发现与硬段相比，软段可以存储更多的应变能量，而硬段通过硬链段的结构破坏和氢键解离来耗散塑性，这种现象使得聚脲具有良好的抗冲击性能。

为了了解氢键对聚脲抗冲击性能的影响，Grujicic等采用非平衡分子动力学方法研究了聚脲遭遇冲击波时出现的分子现象，从而确定聚脲能量吸收和冲击波传播机制的性质，发现聚脲在完全混合状态和微相分离状态中都有明显的横向原子运动，确定冲击引起的氢键断裂在聚脲优异的冲击缓解能力中起着重要作用。这与方志强等的结论一致。在上述基础上，Manav等对聚脲进行分子动力学研究，通过计算玻璃化转变温度和多尺度冲击模拟研究区域的冲击响应，结果表明，通过氢键断裂的能量耗散可以观察硬段的冲击响应，与此同时聚脲在遭受高冲击压力时，硬段中的苯环会发生断裂现象。

从微观结构而言，聚脲材料受到冲击荷载时出现原子运动，氢键断裂吸收能量，提高了聚脲的吸能特性。而从宏观角度来看，应力波传播过程中聚脲与基材之间的阻抗失配会影响到聚脲涂层对于冲击荷载的吸收，并且成为聚脲具有良好抗冲击性的关键因素。

三、抗冲击复合结构

性能优异的防护结构不仅要求防护基材拥有抵抗动态载荷的能力，而且通常要求结构具有优秀的耗能特性。目前抗冲击防护结构由垫高结构和波纹夹芯结构等复合结构组成，这些抗冲击防护结构在面对冲击荷载作用时，会发生均匀的塑性变形，从而有效消耗冲击能量，但由于结构的不同，其消耗能量的方式同样有所不同。而将聚脲材料应用在抗冲击领域中，可以通过增强防护材料的方式进一步提高复合结构的抗冲击能力。

3.1 垫高结构

在冲击过程中，不可避免地会出现噪音与振动问题，垫高结构是一种重要的减振抗冲击结构，其通过在基层与阻尼层之间敷设隔离层从而增加阻尼层的耗能形变。梁龙强等利用硬质聚氨酯泡沫和橡胶制成垫高结构，发现分段式隔离层的方法可以有效地提高结构的损耗因子并改善结构的阻尼性能，同时当隔离层与阻尼层的厚度比在1~3时，能够持续增加结构的减振效果。然后以此为基础制备了隔层阻尼悬臂梁，并采用聚氨酯泡沫作为隔离层，发现隔离层起到了扩大阻尼层变形和辅助耗能的作用，改善了结构面对冲击荷载时产生的振动情况。

张锐通过采用聚脲作为阻尼胶黏剂，将蜂窝结构与垫高结构相结合，研究了蜂窝垫高自由阻尼结构的阻尼性能，研究表明蜂窝垫高自由阻尼结构的质量较轻，由于聚脲材料的力学性能偏黏性，具备更好的耗能特性，能够保证结构的稳定性，因此提高了传统垫高结构的减振抗冲击性能。桑英杰认为降低垫高结构的弯曲刚度能够提高垫高结构的性能，为此他对聚氨酯泡沫材料形成的垫高层进行了开孔处理并分析了其在单点锤击法下的振动特性，试验发现结构的复合损耗因子呈现先增大后减小的规律，有利于垫高结构扩大阻尼层的耗能形变，降低结构的振动响应。

3.2 波纹夹芯结构

波纹夹芯结构由于其较高的结构效率和对冲击载荷的显著缓解，正成为取代传统整体和加筋结构的冲击防护结构，因此对波纹夹芯结构的研究着重于其对冲击荷载的防护效果。Yu等认为波纹夹芯结构主要存在面板屈服、屈曲和芯层屈曲3种破坏模式，其中面板屈服是冲击下的主要破坏模式，并且冲击角会通过影响波纹夹芯的变形方式继而影响到波纹夹芯结构的能量吸收效率。Cheng等采用以舰船侧板为基础的波纹夹芯板的全尺寸模型，对波纹夹芯结构的变形模式做出了评估，实验表明前端面面对冲击荷载时会出现局部压痕和裂纹的破坏变形，波纹夹芯则是出现压痕和全部弯曲，并且波纹夹芯板的横向抗冲击性能要明显优于纵向抗冲击性能。

为改善波纹夹芯结构在高强度冲击下的脆弱性，研究人员提出了在波纹板面或波纹板的间隙中填充某些新材料。Qin等发现将泡沫金属填充至波纹夹芯结构中后，面板和芯层的应变硬化现象对填充后的波纹夹芯结构的动力响应不大。Zhang等发现相对于未填充泡沫波纹夹芯结构，泡沫填充行为虽对面板的破坏模式影响不大，但可以减小腹板和面板的变形，是一种缓解面板和波纹夹芯腹板出现脱黏破坏的有效途径。Wang等则是对装有聚脲材料的金属波纹夹芯板进行了高速弹丸冲击试验，通过试验和有限元模拟发现金属波纹结构凭借喷涂于结构冲击面的聚脲涂层对冲击能量的吸收，会明显提升抗弹道冲击性能，同时保持了结构本身的高比强度和能量吸收能力。

综上所述，抗冲击复合结构具有良好的吸能特性，垫高结构的隔离层加入聚脲材料后会大幅增强结构的耗能特性达到减振抗冲击的效果，面对冲击荷载时波纹结构主要出现面板屈服的变形破坏模式，通过填充材料的方式将聚脲材料填充进波纹结构可以有效提高结构的能量吸收能力，复合结构会借助自身结构特点吸收并转化冲击能量，从而减少结构出现的变形破坏，同时研究人员发现可以通过改变弯曲刚度、填充材料和改变芯材的方式提高结构的抗冲击性能。

四、结语

喷涂聚脲弹性体材料作为一种被广泛运用于建筑防水、结构防腐的新型功能材料，在动态载荷下凭借其优秀的拉伸强度、断裂伸长率以及能量吸收机制等，可以提高结构与材料的稳定性，因此从材料的防护角度而言，聚脲弹性体十分适合应用于抗冲击领域，但由于聚脲结构以及力学性能较为复杂，故结合聚脲的发展现状，有如下几点研究展望。

（1）由于对结构的保护主要原因来自结构本身受到冲击荷载时出现损坏变形现象，故目前关于聚脲抗爆抗冲击性能的研究主要集中在如何利用其本身特性对结构施加影响，而将聚脲材料与其抗冲击复合结构联系起来，强化聚脲自身特性，是当今聚脲领域的一项必要研究内容。

（2）聚脲弹性体作为涂层材料应用于爆炸冲击防护结构中，结构的抗冲击能力会得到显著提升，但结构所处环境多样且复杂，因此研究人员需要通过改进材料配方使聚脲适应不同的环境，强化聚脲自身特性，解决不同应用领域的使用需求，提高聚脲弹性体材料的适用性。

（3）目前关于聚脲涂层抗爆抗冲击研究方面，无法明确获悉其在动态荷载下的能量耗散机制，所以加强理论研究是必不可少的重要环节，关于聚脲与基材之间阻抗失配的影响，有待进一步深入研究。

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