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聚脲弹性体及其复合结构防弹防爆增强机制研究

聚脲弹性体；防弹防爆；冲击强化；动态失效；聚脲金属复合结构

局部战争分析表明，地雷及简易爆炸装置对装甲车辆、舰船等军用装备产生日益严重的爆炸冲击威胁，亟需发展兼具防弹防爆功能的轻质防护装甲。近年来，密度低、韧性强、易喷涂的聚脲弹性体因其优异的动态力学性能，在防护装备领域得到越来越多的关注。然而，目前其动态变形失效规律及其与金属形成的复合结构防弹防爆机理仍不清晰，制约了聚脲弹性体在轻质防护装甲中的应用。在聚脲弹性体动态力学行为研究方面，本文建立了考虑强冲击下高压、高温及高应变率耦合效应的聚脲弹性体本构模型，揭示了高压冲击下等熵压缩及热软化对其剪切强度的影响规律。结合实验表征建立了描述聚脲动态力学行为的粘塑性本构模型，其能捕捉强冲击下的非线性体积响应与冲击引起的剪切硬化和强化。研究发现，对高压冲击，等熵压缩程度决定聚脲的初始剪切强度，而绝热剪切导致的热软化在大应变阶段引起剪切应力松弛。在聚脲金属复合结构防弹防爆性能及设计方面，本文揭示了聚脲通过延缓金属失效、高压强化、界面脱粘等增强聚脲金属复合结构防弹防爆性能的机制，设计了防弹防爆综合性能优异的聚脲金属复合结构。根据聚脲及金属的动态力学行为、冲击波传播规律及能量演化，系统地研究了聚脲金属复合结构的防弹防爆增强机制和聚脲层厚度及位置效应。结果表明：在迎弹面持续增加聚脲层厚度对结构防弹性能提高有限，这由聚脲比能量密度和子弹耗能的降低导致；在近场爆炸冲击波作用下，界面脱粘及聚脲层位置通过影响聚脲金属复合结构中的能量分配过程而影响金属板的动态变形及塑性演化。最后，通过在金属板两侧复合聚脲层设计了防弹防爆综合性能更优的聚脲金属复合结构。本文研究成果为发展基于聚脲弹性体的轻质防弹防爆装备提供理论基础和技术支撑，具有广阔的应用前景。