一種輕型防彈防爆復合材料方艙成型工藝研究

賀才進

(衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421001)

隨著世界戰略局勢和戰場環境的變化，軍用方艙作為軍事設備的配套及后勤保障設備，需要具有戰場防護的能力，以最大限度地保護艙內工作人員和艙內設備。防彈方艙作為一種能夠最大限度地保障人員及設備安全、獨立可移動的廂體工作間，受到各國軍方的青睞。特別是戰爭的現代化，對部隊的機動性要求進一步提高，軍用方艙還必須緊跟裝甲戰車的步伐。加快和推動軍用方艙在輕量化、高效防護等方面的研究，以滿足未來戰爭的需求，已到了刻不容緩的時候。

1 防彈防爆方艙的現狀

目前方艙發展較快的是鋁蒙皮夾芯粘接大板方艙，但由于方艙本身的強度不夠，根本無法抵擋子彈的打擊和爆炸碎片的襲擊，很容易被擊穿和摧毀，不能有效保護方艙內工作人員和設備。方艙被破壞，就會失去作戰功能。防彈防爆方艙按照防彈防爆板(層)與方艙的相對位置結構關系，主要分為2種：整體式結構和模塊式附加結構[1-3]。

1.1 整體式結構

整體式結構是指方艙大板與防彈防爆層完全粘合在一起。其中，防護材料粘接在大板蒙皮內側時稱為內粘整體式結構(見圖1)；粘接在大板蒙皮外側時稱為外粘整體式結構(見圖2)。

1.2 模塊式附加結構

模塊式附加結構是通過螺栓聯接或其他聯接方式將防彈防爆板披掛在方艙的外表面或內表面，這種結構方式也稱為披掛式結構(見圖3)。

無論采取整體式結構還是模塊式附加結構，都存在結構、工藝復雜，艙體總質量大，零部件數量多，生產效率低等缺點。這類方艙因質量大、體積大還影響整車的機動性等。

2 輕型防彈防爆復合材料方艙車

輕型防彈防爆復合材料方艙車底盤采用XX輕型防護型底盤，整車分為前艙(駕駛室)與后艙(復合材料方艙，以下稱艙體)，后部艙體(外形尺寸為2 700 mm×2 241 mm×1 360 mm)作為設備及備附件的安裝平臺。

由于底盤外形為異型結構，艙體外形需造型設計：將艙體輪廓保持與駕駛室輪廓基本一致，以達到整體協調和美觀。艙體外形設計如圖4所示。

2.1 艙體防彈和屏蔽性能要求

艙體按相關標準要求：損傷等級不大于4級，屏蔽效能不低于40 dB。

2.2 艙體輕量化要求

輕量化可提高方艙車的機動性，實現節能和運行的遠程化，可多裝載武器和先進設備等[4]。通過優化艙體的結構設計、選擇輕質高強材料以及合適的加工工藝，提升艙體的剛強度、耐候性、保溫性，減少艙體的總質量。要求艙體質量不大于578 kg(同類產品艙體一般達850 kg以上)。

2.3 艙體的主要構造

艙體采用功能層與結構承載層一體化集成技術，艙體壁板同時具備結構承載、保溫、防彈、電磁屏蔽等功能。艙體含數個艙門(及孔口)。根據防彈功能性能要求不同，壁板分為普通保溫壁板(底壁)和保溫防彈壁板(見圖5)。艙體取消了壁板中的(方管)骨架，保溫層采用高強度的PVC結構泡沫，防彈防爆層選用輕質PE防彈板。艙體要求有高的剛度，內外蒙板采用輕質碳纖維材料[5]，厚度為1.5 mm。

2.4 艙體工藝性

2.4.1 艙體工藝分析

艙體是集輕量化、保溫、防彈及電磁屏蔽等多功能于一體的復合材料艙體，外部形狀較復雜，特別是艙體取消了艙體壁板中的(方管)龍骨架，如：采用通常的方艙大板粘接工藝已不適合。結合艙體上述特征，確定艙體(不含門)采用復合材料一體化成型工藝：真空導入工藝，及膠接、手糊、真空袋壓組合工藝成型。

因艙體有40 dB屏蔽的要求，艙門(及孔口)處要求電連接。艙門(及孔口)均含有鋁型材，仍按大板粘接工藝成型后再組裝。艙體內蒙板是屏蔽層，內蒙板由碳纖+金屬網組成。

2.4.2 真空導入工藝簡介

真空導入工藝(Vacuum infusion process, VIP)，是在模具上鋪“干”增強材料(玻璃纖維、碳纖維、夾心材料等)，然后鋪真空袋等，并抽出體系中的空氣，在模具型腔中形成一個負壓，利用真空產生的壓力，把樹脂通過預鋪的管路注入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最后充滿整個產品。制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的制品。該工藝模型示意圖[6]如圖6所示。

VIP工藝因具有成形模具要求不高、蒙皮纖維含量高、產品的力學性能好、表面質量好等特點，目前已在航空航天、國防工程、船舶工業、能源工業等領域中應用[7]。

2.4.3 手糊、真空袋壓成型工藝簡介

手糊工藝：在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物(如碳纖、玻纖等)，用刷子、壓輥或刮刀擠壓織物，使其均勻浸膠并排除氣泡；再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復上述過程，直至達到所需制品厚度的方法[8]。

真空袋壓工藝：將手糊法成型制件，在樹脂凝膠前，鋪上脫模布，裝上橡膠袋或聚乙烯醇袋等密封袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空，靠大氣壓加壓成型的方法。

手糊成型工藝是復合材料成型最基本、最廣泛的一種工藝方法。真空袋壓成型比手糊成型的制品均勻，強度高，質量穩定。這2種工藝還常用于復合材料制品局部連接補強和修補等。

本艙體成型重點難點主要是：艙體真空導入模具設計、壁板中復合PE防彈板、艙體組合、艙體屏蔽處理等。

3 艙體工藝設計方案

艙體(未含門)的外形及結構如圖7所示。艙體采用碳纖維蒙皮夾心結構，內部安裝有保溫板、輕質防彈板。

3.1 艙體壁板連接及復合夾芯板鋪層設計

3.1.1 艙體壁板組合

因艙體主體為封閉型結構，艙體需要分2套模具制作成型?？紤]到艙體的承重及結構強度，將艙體沿底部分成上下兩部分結構：上艙體和底框，連接部位設置有止口，使艙體組合時有較好的支承(見圖8)。上艙體和底框分別真空導入成型后，通過止口膠接，及連接處內外表糊布、真空袋壓，使產品形成一個整體。

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)是第3代高性能纖維，具有優良的力學性能，其相對密度為0.97[9-10]。PE防彈板是超高分子量聚乙烯纖維復合而成，應盡量不在防彈板上打孔，避免將板中纖維打斷，影響防彈板的性能。防彈板在上艙體進行二次真空導入工藝時，復合到艙體壁板中。

3.1.2 艙體壁板鋪層工藝設計

上艙體鋪層為：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+15 mm結構泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+15 mm防彈板+11 mm結構泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網+1層0°/90° 400 g/m2碳纖。

底框鋪層為：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+42 mm結構泡沫+1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網+1層0°/90° 400 g/m2碳纖。

艙體門框處較薄弱，內部設置C型碳纖維加強筋，增加鋪設4層0°/90° 400 g/m2碳纖維布。

左右裙邊主要起裝飾作用，基本不受力。按總厚度2 mm鋪設4層碳纖，采用真空導入工藝制作。

3.2 艙體成型模具

上艙體在左右壁腰部有一段折彎造型，產品成型時不能一體脫模，該處采用分模結構，即將模具做成可拆裝的上下兩部分。艙門(及孔口)的孔洞結構采用活動塊成型，使艙體具有良好的一體性能。上艙體及底框模具設計分別如圖9和圖10所示。

左右裙邊組合如圖11所示，為了簡化模具，裙邊分3段設計模具，3段分別成型后，通過二次膠接、手糊、真空袋壓等工藝與艙體下部連接成一整體。

3.3 艙體真空導入詳細成型工藝

為了使防彈板能與艙體形成一體結構，及保證艙體內表面有良好的平面度，上艙體成型采用真空導入+真空袋壓(防彈板)+第2次真空導入3次壓力成型方式。即在鋪層時，先將首層結構(1.5 mm碳纖+15 mm結構泡沫+0.5 mm碳纖)真空導入成型后，調整打磨好產品表面，使內表面平整一致，圓弧處平滑過渡，再做好防彈板的裁剪和鋪設。在鋪泡沫和碳纖維層時，應注意產品對接均勻，錯開同一對接位置。同時，在鋪設防彈板后，增加一次真空袋壓工序，即在未進膠之前，檢測產品袋壓后的表面平面度，并及時調整后，再鋪設內層泡沫。

以上艙體真空導入工藝為例，說明艙體成型的主要工藝步驟如下：1)材料、工具準備(如碳纖維布、埋鐵、防護用品等)；2)模具準備；3)固定門框活動塊和法蘭邊；4)刷涂脫膜劑；5)外蒙皮鋪設：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+1層0°/90° 400 g/m2碳纖；6)安放泡沫板下層埋鐵；7)t15厚泡沫板鋪設；8)安放泡沫板上層埋鐵；9)校檢埋鐵；10)中間蒙皮鋪設：1層0°/90° 400 g/m2碳纖；11)脫模布、導流網、導流管、三通鋪設，粘貼密封膠帶等；12)真空袋鋪覆；13)試抽真空；14)導入樹脂；15)保壓、固化：常溫(23 ℃)保壓、固化4 h，再加熱80 ℃固化4 h；16)去掉脫模布等輔材，露出碳纖維制品，表面處理干凈；17)裁剪和鋪放好PE防彈板；18)真空袋壓防彈板，使防彈板平整后，鋪設內層t11厚泡沫；19)鋪設內蒙皮：1層0°/90° 400 g/m2碳纖+1層±45° 600 g/m2碳纖+金屬網+1層0°/90° 400 g/m2碳纖；20)依照第1次真空導入步驟，鋪脫模布、導流網、導流管，鋪真空袋，抽真空保壓，導入樹脂等；21)保壓、固化：常溫(23 ℃)保壓、固化4 h，再加熱80 ℃固化4 h；22)脫模；23)檢驗產品，產品合格后轉下一道工序。

底框(下艙體)和裙邊都是通過一次真空導入工藝成型，參照上述成型過程完成，不再另作描述。

組艙：在上艙體與底框止口處涂膠粘接，按圖8所示螺栓聯接后，在艙體連接處內外表糊布、真空袋壓，使上下艙體形成一個整體。

4 工藝驗證

為了驗證上述工藝設計方案的可行性，按輕型防彈防爆復合材料方艙結構，設計了一個與其結構相似的試驗艙體，艙體尺寸為1 066 mm(長)×1 477 mm(寬)×1 066 mm(高)。按上述工藝設計方案進行鋪層、真空導入和艙體組合等工藝完成了試驗艙體的制作。試驗艙體如圖12所示。

對試驗艙體進行了艙體稱重、外觀、保溫性、電磁屏蔽等試驗檢測，均滿足設計要求(見表1)，證明工藝設計方案可行。

表1 XX試驗艙體檢測表

5 結語

國內對軍用防彈防爆方艙和復合材料方艙的研究起步都較晚，缺少研制需要的相關數據及相應的技術標準。輕型防彈防爆復合材料方艙是集輕量化、防彈防爆、先進復合材料于一體的新型方艙，具有結構-功能一體化特點，目前在國內還是一個全新的課題。隨著一些新型高性能纖維復合材料的國產化，及各行業需求量的增加，先進復合材料成本將大幅度降低。結構新、強度高、成本低、質量輕、體積小的高性能復合防爆防彈方艙將實現批量化生產，這也是軍用方艙未來發展的一個方向。