1、第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20221011基金项目:先进功能复合材料重点实验室开放基金(6142906210101)作者简介:黄星(1996)，女，硕士研究生，研究方向为功能高分子材料。通讯作者:周政(1984)，男，博士，教授，主要研究方向为功能高分子材料。Email:zhouzheng 。引用格式:黄星，周政，李齐方，等 电磁屏蔽抗爆功能一体化聚脲涂层性能研究 J 防护工程，2023，45(1):815HUANG Xing，ZHOU Zheng，LI Qifang，et al
2、esearch on the performance of integrated electromagnetic shielding and blastresist-ance polyurea coatingsJ Protective Engineering，2023，45(1):815电磁屏蔽抗爆功能一体化聚脲涂层性能研究黄星1，2周政1，2李齐方2张宇航1，2任家飞2(1.碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京 100029;2.北京化工大学，北京 100029)摘要合成了新型的高强韧聚脲弹性体，并与电磁屏蔽填料结合，制备出兼具优异力学强度、耐机械损伤性能及电磁屏蔽性能的涂层材料。制备的
3、透明电磁屏蔽聚脲膜，具有 80.8%的透明度和最高 32.1 dB 的电磁屏蔽效能，拉伸强度达到 58.5 MPa，断裂韧性为 227.9 MJ/m3。制备的叠层结构电磁屏蔽聚脲材料，拉伸强度为 55.0 MPa，断裂韧性为 233.6 MJ/m3，在 3.918.0 GHz 频率范围内的最高电磁干扰屏蔽效能为 87.8 dB。评估了多层叠加结构电磁屏蔽聚脲涂层对钢筋混凝土板的爆炸防护作用。结果表明:聚脲防护涂层显著增强了钢筋混凝土板的抗爆能力。相较于无涂层的原始钢筋混凝土板，有聚脲防护的钢筋混凝土板迎爆面破坏直径减小了 66.7%，背爆面破片降为 0。关键词抗爆;电磁屏蔽;聚脲;涂层esea
4、rch on the performance of integrated electromagnetic shieldingand blastresistance polyurea coatingsHUANG Xing1，2，ZHOU Zheng1，2，LI Qifang2，ZHANG Yuhang1，2，EN Jiafei2(1.Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers，MOE，Beijing 100029，China;2.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 1
5、00029，China)AbstractIn this work，a novel polyurea elastomer with high strength and toughness was synthesized and then com-bined with electromagnetic shielding fillers to prepare a coating with excellent mechanical strength，mechanical da-mage resistance，and electromagnetic shielding performance The t
6、ransparent electromagnetic shielding polyurea filmhas a transparency of 808%，an electromagnetic shielding effectiveness of 321 dB，a tensile strength of 585 MPa，and a fracture toughness of 2279 MJ/m3 The prepared laminated structure electromagnetic shielding polyureacoatings has a tensile strength of
7、 550 MPa，fracture toughness of 2336 MJ/m3，and a maximum electromagnetic in-terference shielding effectiveness of 878 dB within the frequency range of 39180 GHz The explosion protectioneffect of the polyurea coatings on reinforced concrete slabs was evaluated The results show that the polyurea protec
8、tivecoatings significantly enhances the blastresistance performance of the reinforced concrete slabs Compared with theuncoated concrete slab，the damage diameter of the front blasting surface on the concrete slab with polyurea protectionwas reduced by 667%，and the fragments on the back blasting surfa
9、ce was reduced to zeroKeywordsblast resistance;electromagnetic shielding;polyurea;coating爆炸荷载的作用时间短，会对工程结构造成巨大损伤，在冲击载荷作用下，结构破片的飞溅也会造成二次伤害。自 20 世纪 80 年代中期以来，随着喷涂聚脲弹性体 SPUA 技术的问世，聚脲产业迅速发第 45 卷 第 1 期黄星，等:电磁屏蔽抗爆功能一体化聚脲涂层性能研究展，在民用、商用和国防领域都有广阔的应用前景，利用聚脲涂层提高工事或装备的抗爆性能已成为防护领域的研究焦点16。aman 等7 分别用 0.1、0.5 和 5
10、kg 的三硝基甲苯(TNT)炸药在不同间隔距离下，对未涂聚脲和涂有聚脲的混凝土板进行爆炸测试，研究混凝土板的裂纹扩展、离面位移以及失效模式。Lv 等8 研究了 T26 聚脲涂层钢筋混凝土板的接触爆炸和非接触爆炸实验，分析了涂层的能量耗散机制，认为 T26 聚脲涂层提高了结构的动能转换率和钢筋混凝土板结构的抗爆能力。张锐等9 采用 10 kg TNT 接触爆炸试验，研究了喷涂 10 mmQtech T26 聚脲涂层对钢筋混凝土板的防护性能，相比于无防护钢筋混凝土板，聚脲防护试件的迎爆面损伤面积减小 62%。核爆炸和高功率电磁武器产生的高能量电磁脉冲严重影响了战场网络空间安全，研发电磁防护性能优异
11、的电磁屏蔽材料刻不容缓1013。电磁屏蔽是导电或电磁材料在电磁波传播过程中吸收或反射所造成的电磁波衰减，其效果多用电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)表示，单位为分贝(dB)14。电磁屏蔽材料主要包括碳材料1516、金属材料1718、MXenes19、本征导电聚合物20 及导电氧化物21 等。这些电磁屏蔽材料对实现电磁屏蔽性能起着关键的作用。现代战场打击形式多样，工事及装备既有抗爆的需求，也有电磁屏蔽的需求，但能够将抗爆与电磁屏蔽一体化的材料研究较少。笔者以电磁屏蔽抗爆功能一体化聚脲涂层为研究目标，合成了高强韧抗爆聚脲材料，并通过电磁屏蔽填料的引入，制备出柔性透明电磁屏蔽聚脲膜及叠层结构电磁屏蔽聚
12、脲材料，表征了力学性能、电磁屏蔽性能等相关性能;评估了涂层对钢筋混凝土板的爆炸防护作用。1实验部分1.1实验材料与仪器二元醇、二异氰酸酯、二氨基吡啶、锌盐:分析纯，购自阿拉丁试剂有限公司;四氢呋喃、N，N二甲基甲酰胺、去离子水、异丙醇:分析纯，购自北京化工厂;羟丙基甲基纤维素:化学纯，购自北京伊诺凯科技有限公司;钢筋混凝土板:70 cm50 cm8 cm，电磁屏蔽填料为实验室自制，成分为合金粉末、胶黏剂、稳定剂和分散剂等。精密天平:梅特勒托利多 AL204;加热磁力搅拌器:上海司乐 S103;循环水式多用真空泵:长城SHB3;真空干燥箱:陆希科技 DZF6020;电子恒温鼓风干燥箱:陆希科技
13、DHG6140A;旋转涂膜机:德国 VTC200。1.2实验表征和测试方法1.2.1材料结构与性能表征样品化学结构由中国奥普天成 AT8000 全反射红外光谱仪进行表征，扫描空气背景后将样品放到红外透光晶体面上，扫描得到红外光谱分析图。机械性能由深圳三思纵横公司的电子万能试验机进行表征。动态力学性能由美国 Q800TA 动态热机械分析仪进行表征。薄层电阻由广州四探针科技有限公司的 TS9 型号双电测四探针测试仪进行表征。透光率由杭州彩谱公司的 TH110 型号雾度计进行表征，测试值为 400700 nm 波长范围内的加权平均值，文中透光率为 5 次测量的平均值。微观形貌由日本 TESCAN M
14、AIA37800F 电子显微镜和德国的 DMFASTSCAN2SYS 原子力显微镜进行表征。电磁干扰屏蔽性能由德国安捷伦公司 AGILENTE5071C 型号矢量网络分析仪采用波导法进行表征。表 1 为矢量网络分析仪测试的 S、C1、C、X、Ku 等 5个波段对应的频率范围和尺寸要求。表 1不同波段对应的频率范围和尺寸要求波段频率范围/GHz测试尺寸/cmS2.63.971.833.9C13.96.047.322.0C5.48.234.715.8X8.212.422.910.2Ku11.918.015.98.01.2.2抗爆试验图 1 为抗爆测试示意图，在抗爆测试场地挖 2个比钢筋混凝土板稍大
15、稍深的土坑，分别将原始钢筋混凝土板和涂有聚脲防护层的钢筋混凝土板放入挖好的土坑中，在钢筋混凝土板下方垫 2 块砖，在板中央上方 10 cm 处放置 200 g TNT 炸药，采用电雷管引爆炸药，通过抗爆试验前后的样品形貌来评估聚脲涂层的抗爆防护效果。图 1抗爆测试示意图9防护工程2023 年1.3材料的制备分别称取计量的异氰酸酯组分和胺基组分，在氮气氛围下混合均匀，称取计量的含有二氨基的吡啶，用 N，N二甲基甲酰胺溶解后加入，搅拌反应90 min。加入溶解在四氢呋喃溶剂中的锌盐，25 下搅拌 4h，反应完毕后旋蒸出多余溶剂，倒入聚四氟乙烯模具中，室温无水环境放置 12 h，80 无水环境中放置
16、 48h。图 2 为聚脲合成反应分子式。将制备出的聚脲混合电磁屏蔽填料，用自研工艺制备了单层透明电磁屏蔽聚脲膜及叠层结构电子屏蔽聚脲材料。1.4聚脲涂覆钢筋混凝土板的制备对钢筋混凝土板进行表面处理，打磨表面提高表面粗糙度，用气枪将其表面的灰尘杂物清除干净，刷上一层底漆增强涂层与钢筋混凝土板之间的黏结力。为适配喷涂工艺及现场操作情况，材料配方略有调整。制备过程如图 3 所示，电磁屏蔽抗爆一体化聚脲涂层的厚度约为 4 mm。图 2聚脲的合成反应分子式图 3聚脲涂覆钢筋混凝土板的制备过程2结果与讨论2.1聚脲的表征图 4 为聚脲的全反射红外光谱。没有异氰酸酯基NCO 和氨基NH2的特征峰，证明异氰酸酯基团和氨基基团已充分反应，波数 1 713 cm1对应 C=O 的伸缩振动峰，波数3 304 cm1对应脲基NH的特征峰，这些特征峰的对应共同证明了聚脲的成功合成。图 4聚脲的全反射红外光谱聚脲的实物图如图 5(a)所示。当聚脲厚度为0.4 mm 时，其透明度为 90%。图 5(b)为聚脲在液氮中淬断后断面的扫描电子显微镜图，可看到纳米级的微相分离结构。图 5(c)为聚脲的应力应变曲线，插图为聚
