一种轻型防弹防爆复合材料方舱成型工艺研究

贺才进

(衡阳泰豪通信车辆有限公司，湖南 衡阳 421001)

随着世界战略局势和战场环境的变化，军用方舱作为军事设备的配套及后勤保障设备，需要具有战场防护的能力，以最大限度地保护舱内工作人员和舱内设备。防弹方舱作为一种能够最大限度地保障人员及设备安全、独立可移动的厢体工作间，受到各国军方的青睐。特别是战争的现代化，对部队的机动性要求进一步提高，军用方舱还必须紧跟装甲战车的步伐。加快和推动军用方舱在轻量化、高效防护等方面的研究，以满足未来战争的需求，已到了刻不容缓的时候。

1 防弹防爆方舱的现状

目前方舱发展较快的是铝蒙皮夹芯粘接大板方舱，但由于方舱本身的强度不够，根本无法抵挡子弹的打击和爆炸碎片的袭击，很容易被击穿和摧毁，不能有效保护方舱内工作人员和设备。方舱被破坏，就会失去作战功能。防弹防爆方舱按照防弹防爆板(层)与方舱的相对位置结构关系，主要分为2种：整体式结构和模块式附加结构[1-3]。

1.1 整体式结构

整体式结构是指方舱大板与防弹防爆层完全粘合在一起。其中，防护材料粘接在大板蒙皮内侧时称为内粘整体式结构(见图1)；粘接在大板蒙皮外侧时称为外粘整体式结构(见图2)。

1.2 模块式附加结构

模块式附加结构是通过螺栓联接或其他联接方式将防弹防爆板披挂在方舱的外表面或内表面，这种结构方式也称为披挂式结构(见图3)。

无论采取整体式结构还是模块式附加结构，都存在结构、工艺复杂，舱体总质量大，零部件数量多，生产效率低等缺点。这类方舱因质量大、体积大还影响整车的机动性等。

2 轻型防弹防爆复合材料方舱车

轻型防弹防爆复合材料方舱车底盘采用XX轻型防护型底盘，整车分为前舱(驾驶室)与后舱(复合材料方舱，以下称舱体)，后部舱体(外形尺寸为2 700 mm×2 241 mm×1 360 mm)作为设备及备附件的安装平台。

由于底盘外形为异型结构，舱体外形需造型设计：将舱体轮廓保持与驾驶室轮廓基本一致，以达到整体协调和美观。舱体外形设计如图4所示。

2.1 舱体防弹和屏蔽性能要求

舱体按相关标准要求：损伤等级不大于4级，屏蔽效能不低于40 dB。

2.2 舱体轻量化要求

轻量化可提高方舱车的机动性，实现节能和运行的远程化，可多装载武器和先进设备等[4]。通过优化舱体的结构设计、选择轻质高强材料以及合适的加工工艺，提升舱体的刚强度、耐候性、保温性，减少舱体的总质量。要求舱体质量不大于578 kg(同类产品舱体一般达850 kg以上)。

2.3 舱体的主要构造

舱体采用功能层与结构承载层一体化集成技术，舱体壁板同时具备结构承载、保温、防弹、电磁屏蔽等功能。舱体含数个舱门(及孔口)。根据防弹功能性能要求不同，壁板分为普通保温壁板(底壁)和保温防弹壁板(见图5)。舱体取消了壁板中的(方管)骨架，保温层采用高强度的PVC结构泡沫，防弹防爆层选用轻质PE防弹板。舱体要求有高的刚度，内外蒙板采用轻质碳纤维材料[5]，厚度为1.5 mm。

2.4 舱体工艺性

2.4.1 舱体工艺分析

舱体是集轻量化、保温、防弹及电磁屏蔽等多功能于一体的复合材料舱体，外部形状较复杂，特别是舱体取消了舱体壁板中的(方管)龙骨架，如：采用通常的方舱大板粘接工艺已不适合。结合舱体上述特征，确定舱体(不含门)采用复合材料一体化成型工艺：真空导入工艺，及胶接、手糊、真空袋压组合工艺成型。

因舱体有40 dB屏蔽的要求，舱门(及孔口)处要求电连接。舱门(及孔口)均含有铝型材，仍按大板粘接工艺成型后再组装。舱体内蒙板是屏蔽层，内蒙板由碳纤+金属网组成。

2.4.2 真空导入工艺简介

真空导入工艺(Vacuum infusion process, VIP)，是在模具上铺“干”增强材料(玻璃纤维、碳纤维、夹心材料等)，然后铺真空袋等，并抽出体系中的空气，在模具型腔中形成一个负压，利用真空产生的压力，把树脂通过预铺的管路注入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个产品。制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。该工艺模型示意图[6]如图6所示。

VIP工艺因具有成形模具要求不高、蒙皮纤维含量高、产品的力学性能好、表面质量好等特点，目前已在航空航天、国防工程、船舶工业、能源工业等领域中应用[7]。

2.4.3 手糊、真空袋压成型工艺简介

手糊工艺：在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物(如碳纤、玻纤等)，用刷子、压辊或刮刀挤压织物，使其均匀浸胶并排除气泡；再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程，直至达到所需制品厚度的方法[8]。

真空袋压工艺：将手糊法成型制件，在树脂凝胶前，铺上脱模布，装上橡胶袋或聚乙烯醇袋等密封袋，周边密封，然后用真空泵抽真空，靠大气压加压成型的方法。

手糊成型工艺是复合材料成型最基本、最广泛的一种工艺方法。真空袋压成型比手糊成型的制品均匀，强度高，质量稳定。这2种工艺还常用于复合材料制品局部连接补强和修补等。

本舱体成型重点难点主要是：舱体真空导入模具设计、壁板中复合PE防弹板、舱体组合、舱体屏蔽处理等。

3 舱体工艺设计方案

舱体(未含门)的外形及结构如图7所示。舱体采用碳纤维蒙皮夹心结构，内部安装有保温板、轻质防弹板。

3.1 舱体壁板连接及复合夹芯板铺层设计

3.1.1 舱体壁板组合

因舱体主体为封闭型结构，舱体需要分2套模具制作成型。考虑到舱体的承重及结构强度，将舱体沿底部分成上下两部分结构：上舱体和底框，连接部位设置有止口，使舱体组合时有较好的支承(见图8)。上舱体和底框分别真空导入成型后，通过止口胶接，及连接处内外表糊布、真空袋压，使产品形成一个整体。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)是第3代高性能纤维，具有优良的力学性能，其相对密度为0.97[9-10]。PE防弹板是超高分子量聚乙烯纤维复合而成，应尽量不在防弹板上打孔，避免将板中纤维打断，影响防弹板的性能。防弹板在上舱体进行二次真空导入工艺时，复合到舱体壁板中。

3.1.2 舱体壁板铺层工艺设计

上舱体铺层为：1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+1层0°/90° 400 g/m2碳纤+15 mm结构泡沫+1层0°/90° 400 g/m2碳纤+15 mm防弹板+11 mm结构泡沫+1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+金属网+1层0°/90° 400 g/m2碳纤。

底框铺层为：1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+1层0°/90° 400 g/m2碳纤+42 mm结构泡沫+1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+金属网+1层0°/90° 400 g/m2碳纤。

舱体门框处较薄弱，内部设置C型碳纤维加强筋，增加铺设4层0°/90° 400 g/m2碳纤维布。

左右裙边主要起装饰作用，基本不受力。按总厚度2 mm铺设4层碳纤，采用真空导入工艺制作。

3.2 舱体成型模具

上舱体在左右壁腰部有一段折弯造型，产品成型时不能一体脱模，该处采用分模结构，即将模具做成可拆装的上下两部分。舱门(及孔口)的孔洞结构采用活动块成型，使舱体具有良好的一体性能。上舱体及底框模具设计分别如图9和图10所示。

左右裙边组合如图11所示，为了简化模具，裙边分3段设计模具，3段分别成型后，通过二次胶接、手糊、真空袋压等工艺与舱体下部连接成一整体。

3.3 舱体真空导入详细成型工艺

为了使防弹板能与舱体形成一体结构，及保证舱体内表面有良好的平面度，上舱体成型采用真空导入+真空袋压(防弹板)+第2次真空导入3次压力成型方式。即在铺层时，先将首层结构(1.5 mm碳纤+15 mm结构泡沫+0.5 mm碳纤)真空导入成型后，调整打磨好产品表面，使内表面平整一致，圆弧处平滑过渡，再做好防弹板的裁剪和铺设。在铺泡沫和碳纤维层时，应注意产品对接均匀，错开同一对接位置。同时，在铺设防弹板后，增加一次真空袋压工序，即在未进胶之前，检测产品袋压后的表面平面度，并及时调整后，再铺设内层泡沫。

以上舱体真空导入工艺为例，说明舱体成型的主要工艺步骤如下：1)材料、工具准备(如碳纤维布、埋铁、防护用品等)；2)模具准备；3)固定门框活动块和法兰边；4)刷涂脱膜剂；5)外蒙皮铺设：1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+1层0°/90° 400 g/m2碳纤；6)安放泡沫板下层埋铁；7)t15厚泡沫板铺设；8)安放泡沫板上层埋铁；9)校检埋铁；10)中间蒙皮铺设：1层0°/90° 400 g/m2碳纤；11)脱模布、导流网、导流管、三通铺设，粘贴密封胶带等；12)真空袋铺覆；13)试抽真空；14)导入树脂；15)保压、固化：常温(23 ℃)保压、固化4 h，再加热80 ℃固化4 h；16)去掉脱模布等辅材，露出碳纤维制品，表面处理干净；17)裁剪和铺放好PE防弹板；18)真空袋压防弹板，使防弹板平整后，铺设内层t11厚泡沫；19)铺设内蒙皮：1层0°/90° 400 g/m2碳纤+1层±45° 600 g/m2碳纤+金属网+1层0°/90° 400 g/m2碳纤；20)依照第1次真空导入步骤，铺脱模布、导流网、导流管，铺真空袋，抽真空保压，导入树脂等；21)保压、固化：常温(23 ℃)保压、固化4 h，再加热80 ℃固化4 h；22)脱模；23)检验产品，产品合格后转下一道工序。

底框(下舱体)和裙边都是通过一次真空导入工艺成型，参照上述成型过程完成，不再另作描述。

组舱：在上舱体与底框止口处涂胶粘接，按图8所示螺栓联接后，在舱体连接处内外表糊布、真空袋压，使上下舱体形成一个整体。

4 工艺验证

为了验证上述工艺设计方案的可行性，按轻型防弹防爆复合材料方舱结构，设计了一个与其结构相似的试验舱体，舱体尺寸为1 066 mm(长)×1 477 mm(宽)×1 066 mm(高)。按上述工艺设计方案进行铺层、真空导入和舱体组合等工艺完成了试验舱体的制作。试验舱体如图12所示。

对试验舱体进行了舱体称重、外观、保温性、电磁屏蔽等试验检测，均满足设计要求(见表1)，证明工艺设计方案可行。

表1 XX试验舱体检测表

5 结语

国内对军用防弹防爆方舱和复合材料方舱的研究起步都较晚，缺少研制需要的相关数据及相应的技术标准。轻型防弹防爆复合材料方舱是集轻量化、防弹防爆、先进复合材料于一体的新型方舱，具有结构-功能一体化特点，目前在国内还是一个全新的课题。随着一些新型高性能纤维复合材料的国产化，及各行业需求量的增加，先进复合材料成本将大幅度降低。结构新、强度高、成本低、质量轻、体积小的高性能复合防爆防弹方舱将实现批量化生产，这也是军用方舱未来发展的一个方向。