论树脂基复合材料在野战工事中的应用
论树脂基复合材料在野战工事中的应用
野战工事是战役、战斗的准备和实施过程中，利用、改造地形，使用就便器材或预制构件，快速构筑的临时工事。对常规武器和核武器、生物武器和化学武器的杀伤破坏作用具有较高的抵抗能力和较好的防护效果。50年代以前，我军的野战工事主要是以木材、钢材和钢筋混凝土就便材料工事，作战时临时构筑。60年代以后，先后研制了装配式混凝土预制构件工事、型钢工事、波纹钢工事、钢丝网水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。这一时期的工事，重量大、构件体积大、构筑速度慢、土建作业量大、撤收难，阵地转移慢，机动性能不高，难以适应机动作战的需要。从80年代开始，随着复合材料的发展，制作野战工事的材料由传统的钢材、木材和钢筋混凝土材料转向新型复合材料，我军先后研制了玻璃钢工事、玻璃纤维增强水泥工事、玻璃钢或铝合金作面板和泡沫作芯材的复合材料工事。这一时期的工事，虽然重量较轻，构件体积较小，但是工事的跨度较小、抗力低，难以满足部队平战结合的需要。直到90年代,采用“新材料、新工艺、新思想”设计的玻璃钢夹层野战工事系列，才第一次使野战工事轻型化、机动化、标准化,形成单一材料、多种结构型式、多种抗力和多种使用性能的系列化。
国外是从60年代初期开始使用复合材料野战工事的。美国、法国、意大利、日本、德国、瑞典等国都有用玻璃钢制成的掩蔽部、防弹板、弹药库等,对于玻璃钢工事的试验研究,外军早在二次世界大战时就开始了相关研究,并已有各种玻璃钢工事装备部队,如美军的轻型玻璃钢装配式掩盖工事(长6-18米,宽3米,高约3米);英国研制的玻璃钢掩蔽部可容纳6人,复土±115米,抗冲击波超压0186kg/cm2。此外还有日本研制的薄壳形玻璃钢工事顶盖、瑞典的玻璃钢夹层球形掩蔽部等等,均起到了较好的防护效果。
一、玻璃钢复合材料用于野战工事的优点
玻璃钢(FRP)亦称作GRP，即纤维强化塑料，是一种树脂基复合材料。一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。
玻璃钢是目前世界上产量最大、用途最广的复合材料，玻璃钢工业是如今最热门的工业之一，它以其优良的性能在各个领域得到广泛的应用，如:储罐、管道、建筑、交通运输、运动与游乐器材、船艇等方面都得到广泛应用。在野战筑城中，用玻璃钢做的各种工事在战争中起到了重要作用，在未来高技术战争中将发挥越来越大的作用。
FRP(玻璃纤维增强塑料,简称玻璃钢)是以合成树脂为基体、玻璃纤维(织物)为增强材料的复合材料。具有许多优良的特性:
(一)轻质高强，比重114-2.0,约为钢的1/5,铝的1/2,其比强度和比模量超过钢和铝合金;(二)冲击韧性好，适宜于承受动荷载及爆炸冲击荷载;(三)抗老化及阻燃性好(玻璃钢中加入阻燃剂或采用阻燃树脂再加入阻燃剂，可满足防火要求);(四)其夹层结构隔热保温性能好，导热系数和热应力小(分别为钢管的0.14%和1/11);(五)电绝缘性能好，可安全地应用于输电、电信密集区;(六)设计和可施工性好，安装快捷方便、安全，几乎不动火。
因此，FRP极适宜于制作野战工程中的快速装配式预制构件，在防护工程野战工事的应用上越来越受到重视。
目前所用的玻璃纤维，其应力应变曲线如图所示，从图中可以看出，单纤维受力不一致，股纱破坏呈现一个逐步断裂的过程。最常用的玻璃纤维布有平纹、斜纹和缎纹等，其中斜纹中的2/2斜纹布铺覆性较好，较适用于制作玻璃钢工事构件。合成树脂在玻璃钢中的作用，是将分散的玻璃纤维或其织物粘结成一个整体，同时已固化的树脂又是玻璃钢的一组分，其性能将直接影响玻璃钢的力学、耐温、耐腐蚀和介电等性能，此树脂的选择也非常重要。用于玻璃钢的常用树脂大部分为热固性树脂，主要有不饱和聚酯、环氧、酚醛以及改性的聚酯和环氧。玻璃钢工事结构设计时，既要满足构件标准化的要求，又要满足荷载要求，同时尽量使生存空间有舒适感。其结构形式基本上有两类：筒壳和球壳。对于单一玻璃钢材料，壁厚度通常取6-10mm，对于夹层材料，一般取蒙皮厚2-4mm，夹芯厚40-60mm。
二、树脂基复合材料成型方法
(一)手糊成型技术
手糊成型又称手工裱糊成型或接触成型，是热固性树脂基复合材料制品成型较早的方法之一。所谓手糊工艺，是指用树脂将增强材料粘结在一起的一种成型方法，约有50%的玻璃钢复合材料制品是用这种方法成型的，特别是对于用量少、品种多及大型制品，更宜采用此法。但这种方法操作人员多，操作者的技术水平对制品的质量影响大，虽有“一见就会”的说法，但要制得优良得制品也是相当困难得。手糊成型工艺制造制品一般需要经过如下工序：手糊成型工艺可分为接触成型和低压成型两大类：属于前者得有简单手糊法及喷射成型法;属于后者的有压力袋法、真空袋法等。手糊复合材料制品的厚度一般在2-10mm，但对于有些制品，其厚度可以大于10mm，也可小于2mm。典型的手糊制品结构如图。
1、面层;2、短切毡;3、短切毡或粗纱布;4、短切毡;5、表面毡;6、胶衣层;7、脱模剂;8、模具。
因其很少受到制品形状及大小的制约，模具费用较低。因此对于品种多、生产量小的大型制品，手糊成型技术是最合适的。用手糊成型可生产波形瓦、活动房、浴盆、冷却塔、卫生间、贮槽、贮罐、风机叶片、各类渔船和游艇、微型汽车和客车壳体、大型雷达天线罩及天文台屋顶罩、设备防护罩、雕像、舞台道具和飞机蒙布、机翼、火箭外壳、防热底板等大中型零件。总之，由于手糊工艺设计自由，可根据产品的技术要求设计出理想的外观、造型及多种多样、品种繁多的FRP制品。目前，产品达上万种，被广泛应用到各个领域，前景看好。
(二)模压成型技术
适合于生产量大，尺寸要求精确的制品。模压成型的模具由阴、阳两部分组成。增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。
(三)RTM成型技术
RTM(树脂传递模塑)成型技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术，RTM成型技术有许多优点：能够制造高质量、高精度、低孔隙率高纤维含量的复杂复合材料构件，无须胶衣树脂也可获得光滑的双表面，产品从设计到投产时间短，生产效率高;RTM模具和产品设计可采用CAD进行设计，模具制造容易，材料选择面广;RTM成型的构件与管件易于实现局部增强以及制造局部加厚的构件，带芯材的复合材料能一次成型;RTM成型过程中挥发水分少，有利于劳动保护和环境保护。
(四)纤维缠绕成型技术
纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸润树脂的纤维均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制品。纤维缠绕成型方法既用于制造简单曲旋转体：如筒、罐、管、球、锥等。也可以用来制备飞机机身、机翼及汽车车身等非旋转体部件：在纤维缠绕成型中常使用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维;缠绕用树脂基体有聚酯、乙烯基、环氧和BMI树脂等。纤维缠绕的主要优点是节省原材料、低的制造成本以及制件的高度重复性，最大的缺点是制件固化后需除芯模以及不适宜于带凹曲表面制件的制造。
(五)拉挤成型技术
用于连续生产纤维复合材料型材。主要过程是依靠牵引将原材料通过一定型面的加热模，完成复合、成型和固化。拉挤成型工艺筒单;效率高;拉挤法制备制件时，增强纤维沿轴向平行排列，能有效地利用其强度。采用纤维毡增强材料可制备各向同性制件，采用编织带可提高制件的横向强度。拉挤成型的关键是固化的控制。固化反应放热峰出现太早制件易开裂、翘曲;出现太迟;制件固化不完全，易分层。取决于型材形状和加热方式，拉挤速度在1.5-60m/h之间。
(六)热压罐成型技术
热压罐成型技术是生产高质量复合材料制件的主要方法。其基本过程是先将预浸料按尺寸裁剪、铺贴，然后将预浸料量叠层和其他工艺辅助材料组合在一起;置于热压罐中在一定压力和温度下固化形成制件。热压罐成型技术的最大优点是仅用一个模具就得到形状复杂、尺寸较大、质量较好的制件。
三、手糊成型工艺在野战工事中的应用
根据树脂基复合材料的工艺设计的原则以及以上提到的六种工艺对比，由于复合材料装配式野战工事结构复杂，尺寸较大，加之考虑加工成本，故在制造过程中采用手糊成型工艺。与其它成型工艺相比，手糊成型工艺具有如下的优点：(一)操作简便，操作者容易培训;(二)设备投资少，生产费用低：(三)能生产大型的和复杂结构制品;(四)制品的可设计性好，且容易改变设计;(五)模具材料来源广;(六)可以做成夹层结构。
由于现代高技术战争条件下，需要快速构筑野战工事以提高部队的生存能力的需要，高性能树脂基复合材料以其自身所特有的能有效吸收冲击能量、轻质高强且具有不燃、无毒、保温等性能，必将成为野战工事构筑的首选材料。