SIO2气凝胶毡-陶瓷棉-高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验
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第11卷中国舰船研究收稿日期：2015-12-18网络出版时间：2016-9-2113:36基金项目：国家自然科学基金资助项目（51179200）
第11卷第5期2016年10月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearch
Vol.11No.5
Oct.2016
引用格式：郑盼，朱锡，李永清.SIO2
气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验［J］.中国舰船研究，
2016，11（5）：78-83，99.ZHENGPan，ZHUXi，LIYongqing.Experimentonthethermalinsulationperformanceofmulti-layercompositeballis⁃ticstructuresbysilicateaero-gel/ceramic/high-strengthpolyethylene［J］.ChineseJournalofShipResearch，2016，11
（5）：78-83，99.SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合
抗弹结构隔热性能试验
郑盼，朱锡，李永清海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033
摘要：为研究高强聚乙烯在高温条件下使用的适用性，以及SiO2气凝胶毡和陶瓷棉的隔温性能，提出SiO2
气
凝胶毡/陶瓷棉与高强聚乙烯紧密贴合无间隙复合舱壁结构的方案，对结构单元进行模拟标准火源的耐火试验研究，分析耐火材料的失效模式以及不同耐火材料厚度对夹芯结构的影响规律，探讨复合结构舱壁在满足耐火要求的前提下面密度和结构整体厚度的实用性。试验结果表明：适当厚度的SiO2
气凝胶毡和陶瓷棉均具有较
好的耐火隔温性能，适当增加隔温层厚度能明显提高复合舱壁结构的热防护效果；达到相同隔温效果所需要的SiO2气凝胶毡比陶瓷棉薄，就面密度和结构整体厚度而言，SiO2气凝胶毡更有优势；在带陶瓷的夹芯结构中，陶
瓷也能起到一定的隔温作用，综合优化此复合舱壁结构能有效提高舰船舱壁的防护性能。关键词：耐火材料；抗弹；SiO2
气凝胶毡；高强聚乙烯
中图分类号：U668.1文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.012
Experimentonthethermalinsulationperformanceofmulti-layercompositeballisticstructuresbysilicateaero-gel/ceramic/high-strengthpolyethylene
ZHENGPan，ZHUXi，LIYongqingDepartmentofNavalArchitectureEngineering，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China
Abstract：Inordertoresearchthereliabilityofhighstrengthpolyethyleneunderhightemperaturecondi⁃tionsandtheheatinsulationpropertiesofSiO2aero-gelandceramiccotton,theSiO2aero-gelblanket/ce⁃ramiccottonwithhighstrengthpolyethyleneintegratedstructureschemewithnoclearancewasputfor⁃ward.Thestandardfiretestwasperformedonthestructuralunit.Thefailuremodeoftherefractorymaterialandtheinfluencelawofrefractorythicknessonthesandwichstructurewereanalyzed.Thestudydiscussesthepracticalityofareadensityandtheoverallthicknessofthestructureonthepremisethatthecompositestructurebulkheadssatisfiestherefractoryrequirements.TheresultsshowthattheadvisablethicknessoftheSiO2aero-gelblanketandceramiccottoneachhavegoodrefractoryinsulatingperformance,andthethermalprotectioneffectofthecompositebulkheadstructureisobviouslyimprovedwiththehigherthick⁃nessoftheinsulatinglayer.Toachievethesameeffect,lessSiO2aero-gelblanketisneededthanceramiccotton;theSiO2aero-gelblanketissuperiorwhenconsideringareadensityandwholestructurethickness;andtheceramicalsohasacertaininsulatingeffectwhenaddedtothesandwichstructure.Assuch,theinte⁃gratedoptimizationofthecompositebulkheadstructurecaneffectivelyimprovetheprotectiveperformanceofmarinebulkheads.Keywords：refractorymaterial；anti-bullet；silicateaero-gel；highstrengthpolyethylene第5期0引言现代海战中，半穿甲导弹通过设置延时引信，可使战斗部穿透船体外板后在舱室内部起爆，爆炸产生的冲击波和高速破片会对舰船结构和人员构成严重威胁。而聚乙烯纤维复合材料作为新型复合材料，具有重量轻、抗弹性能优异等特点［1-2］，孙晓明等［3-8］对高强聚乙烯夹芯结构的复合抗爆舱壁进行了近距空爆下变形破坏模式的试验研究，结果表明，高强聚乙烯具有很好的抗穿甲性能和吸能性能，适当增加复合抗爆舱壁夹芯层厚度和质量有利于其整体抗弹性能的提高。然而，高强聚乙烯受温度的影响明显，其在环境层温度达到150℃后会逐渐软化，持续高温会使其脱层皱缩烧蚀，从而降低抗弹性能。陶瓷棉和SiO2气凝胶毡均具有良好的耐火性能［9］。王超等［10］对陶瓷棉硅酸铝纤维在高温环境下的隔热性能进行了研究，结果表明，当采用陶瓷棉硅酸铝纤维高温隔热时，在极短的时间内就可以达到温度平衡，其不仅具有低热导率，同时还具有一定的抗辐射能力；谭大力等［11］针对SiC陶瓷和SiO2
气凝胶
毡组合结构的隔热性能研究表明，SiC陶瓷和SiO2
气凝胶毡组合结构具有很好的隔热性能，综合利
用该组合结构能有效保护金属背衬结构。随着现代舰船向轻量化方向的发展，用低质量、高强度的聚乙烯板代替厚重的船用装甲，在达到相同防护效果的同时，对减小舱壁结构的整体面密度具有重要意义。基于上述分析，为探讨复合舱壁在不同耐火材料组合下对高强聚乙烯保护的影响，本文拟以陶瓷棉/SiO2
气凝胶毡为隔温层，陶瓷片和高强聚
乙烯板为抗弹层，船用钢为前/后面板，制作复合舱壁结构的局部模型，参照A60标准的试验条件对模型进行耐火试验研究，并分析耐火层的失效模式以及耐火层厚度变化对夹芯结构温升变化的影响规律。
1试验设计
1.1试验火源按照A60标准，在设定的时间下，炉温的升温曲线应是由下列各温度点所连接的一条光滑曲线［12］：自室温20℃开始，5min时576℃，10min时678℃，15min时739℃，30min时842℃，60min
时945℃。在本研究中，通过优化选择电炉功率大小并进行测试试验，最终确定了试验火源。图1
所示为实测试验炉温与标准火源的温度曲线。由图可知，在试验过程中所使用的火源温度比标准火源高50~100℃，试验条件较标准耐火试验更高。
1.2试验方法参照GJB4000-2000《舰船通用规范》中A级防火等级要求［9］开展试验。采用钢板（5mm）+隔温层+防弹层+隔温层+钢板（10mm）的1∶1局部防火夹芯复合装甲结构单元开展耐火性能试验。在试验过程中，火源置于夹芯复合装甲结构一侧，采用热电偶测试记录夹芯防护结构表面、内部的温升历程，试验布置方式如图2（a）所示。在试验过程中，火源置于夹芯结构底部，如图2（b）所示。
图1试验火源温度曲线Fig.1Temperaturecurvesofresearchingfire
10009008007006005004003002001000
Temperature/℃
0102030405060Time/min
试验火源温度曲线标准火源温度曲线
（a）示意图（b）试验图图2耐火性能试验示意图Fig.2Schematicofthermal-resistanceresearch
火源隔温层前面板热电偶
纤维增强层合板温度测试系统
隔温层后面板
郑盼等：SIO2
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