論樹脂基復(fù)合材料在野戰(zhàn)工事中的應(yīng)用

論樹脂基復(fù)合材料在野戰(zhàn)工事中的應(yīng)用

　　野戰(zhàn)工事是戰(zhàn)役、戰(zhàn)斗的準(zhǔn)備和實(shí)施過程中，利用、改造地形，使用就便器材或預(yù)制構(gòu)件，快速構(gòu)筑的臨時工事。對常規(guī)武器和核武器、生物武器和化學(xué)武器的殺傷破壞作用具有較高的抵抗能力和較好的防護(hù)效果。50年代以前，我軍的野戰(zhàn)工事主要是以木材、鋼材和鋼筋混凝土就便材料工事，作戰(zhàn)時臨時構(gòu)筑。60年代以后，先后研制了裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件工事、型鋼工事、波紋鋼工事、鋼絲網(wǎng)水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。這一時期的工事，重量大、構(gòu)件體積大、構(gòu)筑速度慢、土建作業(yè)量大、撤收難，陣地轉(zhuǎn)移慢，機(jī)動性能不高，難以適應(yīng)機(jī)動作戰(zhàn)的需要。從80年代開始，隨著復(fù)合材料的發(fā)展，制作野戰(zhàn)工事的材料由傳統(tǒng)的鋼材、木材和鋼筋混凝土材料轉(zhuǎn)向新型復(fù)合材料，我軍先后研制了玻璃鋼工事、玻璃纖維增強(qiáng)水泥工事、玻璃鋼或鋁合金作面板和泡沫作芯材的復(fù)合材料工事。這一時期的工事，雖然重量較輕，構(gòu)件體積較小，但是工事的跨度較小、抗力低，難以滿足部隊(duì)平戰(zhàn)結(jié)合的需要。直到90年代,采用“新材料、新工藝、新思想”設(shè)計的玻璃鋼夾層野戰(zhàn)工事系列，才第一次使野戰(zhàn)工事輕型化、機(jī)動化、標(biāo)準(zhǔn)化,形成單一材料、多種結(jié)構(gòu)型式、多種抗力和多種使用性能的系列化。

　　國外是從60年代初期開始使用復(fù)合材料野戰(zhàn)工事的。美國、法國、意大利、日本、德國、瑞典等國都有用玻璃鋼制成的掩蔽部、防彈板、彈藥庫等,對于玻璃鋼工事的試驗(yàn)研究,外軍早在二次世界大戰(zhàn)時就開始了相關(guān)研究,并已有各種玻璃鋼工事裝備部隊(duì),如美軍的輕型玻璃鋼裝配式掩蓋工事(長6-18米,寬3米,高約3米);英國研制的玻璃鋼掩蔽部可容納6人,復(fù)土±115米,抗沖擊波超壓0186kg/cm2。此外還有日本研制的薄殼形玻璃鋼工事頂蓋、瑞典的玻璃鋼夾層球形掩蔽部等等,均起到了較好的防護(hù)效果。

　　一、玻璃鋼復(fù)合材料用于野戰(zhàn)工事的優(yōu)點(diǎn)

　　玻璃鋼(FRP)亦稱作GRP，即纖維強(qiáng)化塑料，是一種樹脂基復(fù)合材料。一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體。

　　玻璃鋼是目前世界上產(chǎn)量最大、用途最廣的復(fù)合材料，玻璃鋼工業(yè)是如今最熱門的工業(yè)之一，它以其優(yōu)良的性能在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如:儲罐、管道、建筑、交通運(yùn)輸、運(yùn)動與游樂器材、船艇等方面都得到廣泛應(yīng)用。在野戰(zhàn)筑城中，用玻璃鋼做的各種工事在戰(zhàn)爭中起到了重要作用，在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中將發(fā)揮越來越大的作用。

　　FRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料,簡稱玻璃鋼)是以合成樹脂為基體、玻璃纖維(織物)為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。具有許多優(yōu)良的特性:

　　(一)輕質(zhì)高強(qiáng)，比重114-2.0,約為鋼的1/5,鋁的1/2,其比強(qiáng)度和比模量超過鋼和鋁合金;(二)沖擊韌性好，適宜于承受動荷載及爆炸沖擊荷載;(三)抗老化及阻燃性好(玻璃鋼中加入阻燃劑或采用阻燃樹脂再加入阻燃劑，可滿足防火要求);(四)其夾層結(jié)構(gòu)隔熱保溫性能好，導(dǎo)熱系數(shù)和熱應(yīng)力小(分別為鋼管的0.14%和1/11);(五)電絕緣性能好，可安全地應(yīng)用于輸電、電信密集區(qū);(六)設(shè)計和可施工性好，安裝快捷方便、安全，幾乎不動火。

　　因此，F(xiàn)RP極適宜于制作野戰(zhàn)工程中的快速裝配式預(yù)制構(gòu)件，在防護(hù)工程野戰(zhàn)工事的應(yīng)用上越來越受到重視。

　　目前所用的玻璃纖維，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖所示，從圖中可以看出，單纖維受力不一致，股紗破壞呈現(xiàn)一個逐步斷裂的過程。最常用的玻璃纖維布有平紋、斜紋和緞紋等，其中斜紋中的2/2斜紋布鋪覆性較好，較適用于制作玻璃鋼工事構(gòu)件。合成樹脂在玻璃鋼中的作用，是將分散的玻璃纖維或其織物粘結(jié)成一個整體，同時已固化的樹脂又是玻璃鋼的一組分，其性能將直接影響玻璃鋼的力學(xué)、耐溫、耐腐蝕和介電等性能，此樹脂的選擇也非常重要。用于玻璃鋼的常用樹脂大部分為熱固性樹脂，主要有不飽和聚酯、環(huán)氧、酚醛以及改性的聚酯和環(huán)氧。玻璃鋼工事結(jié)構(gòu)設(shè)計時，既要滿足構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的要求，又要滿足荷載要求，同時盡量使生存空間有舒適感。其結(jié)構(gòu)形式基本上有兩類：筒殼和球殼。對于單一玻璃鋼材料，壁厚度通常取6-10mm，對于夾層材料，一般取蒙皮厚2-4mm，夾芯厚40-60mm。

　　二、樹脂基復(fù)合材料成型方法

　　(一)手糊成型技術(shù)

　　手糊成型又稱手工裱糊成型或接觸成型，是熱固性樹脂基復(fù)合材料制品成型較早的方法之一。所謂手糊工藝，是指用樹脂將增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起的一種成型方法，約有50%的玻璃鋼復(fù)合材料制品是用這種方法成型的，特別是對于用量少、品種多及大型制品，更宜采用此法。但這種方法操作人員多，操作者的技術(shù)水平對制品的質(zhì)量影響大，雖有“一見就會”的說法，但要制得優(yōu)良得制品也是相當(dāng)困難得。手糊成型工藝制造制品一般需要經(jīng)過如下工序：手糊成型工藝可分為接觸成型和低壓成型兩大類：屬于前者得有簡單手糊法及噴射成型法;屬于后者的有壓力袋法、真空袋法等。手糊復(fù)合材料制品的厚度一般在2-10mm，但對于有些制品，其厚度可以大于10mm，也可小于2mm。典型的手糊制品結(jié)構(gòu)如圖。

　　1、面層;2、短切氈;3、短切氈或粗紗布;4、短切氈;5、表面氈;6、膠衣層;7、脫模劑;8、模具。

　　因其很少受到制品形狀及大小的制約，模具費(fèi)用較低。因此對于品種多、生產(chǎn)量小的大型制品，手糊成型技術(shù)是最合適的。用手糊成型可生產(chǎn)波形瓦、活動房、浴盆、冷卻塔、衛(wèi)生間、貯槽、貯罐、風(fēng)機(jī)葉片、各類漁船和游艇、微型汽車和客車殼體、大型雷達(dá)天線罩及天文臺屋頂罩、設(shè)備防護(hù)罩、雕像、舞臺道具和飛機(jī)蒙布、機(jī)翼、火箭外殼、防熱底板等大中型零件?？傊?，由于手糊工藝設(shè)計自由，可根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求設(shè)計出理想的外觀、造型及多種多樣、品種繁多的FRP制品。目前，產(chǎn)品達(dá)上萬種，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，前景看好。

　　(二)模壓成型技術(shù)

　　適合于生產(chǎn)量大，尺寸要求精確的制品。模壓成型的模具由陰、陽兩部分組成。增強(qiáng)材料一般為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。

　　(三)RTM成型技術(shù)

　　RTM(樹脂傳遞模塑)成型技術(shù)是一種適宜多品種、中批量、高質(zhì)量復(fù)合材料制品生產(chǎn)的成型技術(shù)，RTM成型技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)：能夠制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，無須膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面，產(chǎn)品從設(shè)計到投產(chǎn)時間短，生產(chǎn)效率高;RTM模具和產(chǎn)品設(shè)計可采用CAD進(jìn)行設(shè)計，模具制造容易，材料選擇面廣;RTM成型的構(gòu)件與管件易于實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)以及制造局部加厚的構(gòu)件，帶芯材的復(fù)合材料能一次成型;RTM成型過程中揮發(fā)水分少，有利于勞動保護(hù)和環(huán)境保護(hù)。

　　(四)纖維纏繞成型技術(shù)

　　纖維纏繞成型是在專門的纏繞機(jī)上，將浸潤樹脂的纖維均勻地、有規(guī)律地纏繞在一個轉(zhuǎn)動的芯模上，最后固化、除去芯模獲得制品。纖維纏繞成型方法既用于制造簡單曲旋轉(zhuǎn)體：如筒、罐、管、球、錐等。也可以用來制備飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼及汽車車身等非旋轉(zhuǎn)體部件：在纖維纏繞成型中常使用的增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維;纏繞用樹脂基體有聚酯、乙烯基、環(huán)氧和BMI樹脂等。纖維纏繞的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省原材料、低的制造成本以及制件的高度重復(fù)性，最大的缺點(diǎn)是制件固化后需除芯模以及不適宜于帶凹曲表面制件的制造。

　　(五)拉擠成型技術(shù)

　　用于連續(xù)生產(chǎn)纖維復(fù)合材料型材。主要過程是依靠牽引將原材料通過一定型面的加熱模，完成復(fù)合、成型和固化。拉擠成型工藝筒單;效率高;拉擠法制備制件時，增強(qiáng)纖維沿軸向平行排列，能有效地利用其強(qiáng)度。采用纖維氈增強(qiáng)材料可制備各向同性制件，采用編織帶可提高制件的橫向強(qiáng)度。拉擠成型的關(guān)鍵是固化的控制。固化反應(yīng)放熱峰出現(xiàn)太早制件易開裂、翹曲;出現(xiàn)太遲;制件固化不完全，易分層。取決于型材形狀和加熱方式，拉擠速度在1.5-60m/h之間。

　　(六)熱壓罐成型技術(shù)

　　熱壓罐成型技術(shù)是生產(chǎn)高質(zhì)量復(fù)合材料制件的主要方法。其基本過程是先將預(yù)浸料按尺寸裁剪、鋪貼，然后將預(yù)浸料量疊層和其他工藝輔助材料組合在一起;置于熱壓罐中在一定壓力和溫度下固化形成制件。熱壓罐成型技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是僅用一個模具就得到形狀復(fù)雜、尺寸較大、質(zhì)量較好的制件。

　　三、手糊成型工藝在野戰(zhàn)工事中的應(yīng)用

　　根據(jù)樹脂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計的原則以及以上提到的六種工藝對比，由于復(fù)合材料裝配式野戰(zhàn)工事結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，加之考慮加工成本，故在制造過程中采用手糊成型工藝。與其它成型工藝相比，手糊成型工藝具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(一)操作簡便，操作者容易培訓(xùn);(二)設(shè)備投資少，生產(chǎn)費(fèi)用低：(三)能生產(chǎn)大型的和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品;(四)制品的可設(shè)計性好，且容易改變設(shè)計;(五)模具材料來源廣;(六)可以做成夾層結(jié)構(gòu)。

　　由于現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，需要快速構(gòu)筑野戰(zhàn)工事以提高部隊(duì)的生存能力的需要，高性能樹脂基復(fù)合材料以其自身所特有的能有效吸收沖擊能量、輕質(zhì)高強(qiáng)且具有不燃、無毒、保溫等性能，必將成為野戰(zhàn)工事構(gòu)筑的首選材料。