PTFE基含能藥型罩制備及毀傷性能研究

陶忠明，方 向，李裕春，馮 彬，王懷璽，黃駿逸

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

PTFE基含能藥型罩制備及毀傷性能研究

陶忠明，方 向，李裕春，馮 彬，王懷璽，黃駿逸

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

選取了不同PTFE(聚四氟乙烯)基反應(yīng)材料，通過(guò)模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強(qiáng)度的PTFE基含能藥型罩，并利用炸藥對(duì)其進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)撞靶實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：各PTFE基含能藥型罩都能在炸藥驅(qū)動(dòng)下成功撞擊反應(yīng)，Mg/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩和Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩對(duì)靶板開孔效果極好，開孔直徑分別為13cm和12cm；而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩僅在撞擊部位造成變形凹坑。研究表明靶板穿孔效應(yīng)與PTFE基含能藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值有關(guān)，藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致藥型罩對(duì)靶板穿孔擴(kuò)孔失敗。

藥型罩；反應(yīng)材料；PTFE；撞擊反應(yīng)；穿透

反應(yīng)材料又被稱為沖擊引發(fā)的含能材料，這類材料通常經(jīng)粉末壓實(shí)、真空燒結(jié)等工藝方法形成，具有一定的強(qiáng)度、硬度和質(zhì)量密度特性，并且在沖擊作用下可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的產(chǎn)物并伴隨釋放大量熱量[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)反應(yīng)材料的工程應(yīng)用開展了大量實(shí)驗(yàn)研究。2009～2013年，ATK公司及美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）[4-5]相繼披露了反應(yīng)材料在武器系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)[6-12]對(duì)反應(yīng)材料尤其是反應(yīng)材料破片的毀傷后效及釋能效率開展了廣泛實(shí)驗(yàn)研究。

PTFE基反應(yīng)材料的應(yīng)用目標(biāo)是用密度相對(duì)低的反應(yīng)材料替代彈藥中密度相對(duì)高的惰性結(jié)構(gòu)材料（如金屬類的破片、聚能罩、殼體及附屬結(jié)構(gòu)件等），并具備足夠的力學(xué)性能，這將使得常規(guī)戰(zhàn)斗部的能量提高，或者質(zhì)量減輕。本文設(shè)計(jì)了一種球缺形藥型罩壓藥模具，并通過(guò)模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強(qiáng)度的PTFE基含能藥型罩，同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了8種不同PTFE基含能藥型罩在炸藥的驅(qū)動(dòng)下撞擊鋼靶的作用過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及配方

鎂粉（上海超威納米科技有限公司，8～10μm）；鋁粉（湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，3～5μm）；鎳粉（上海乃歐納米科技有限公司，3～5μm）；鈦粉（上海超威納米科技有限公司，3～5μm）；氧化鐵（上海乃歐納米科技有限公司，3～5μm）；氧化鐵（上海實(shí)意化學(xué)試劑有限公司，分析純AR）；聚四氟乙烯（上海三愛(ài)富新材料股份有限公司，25μm）。8種氟基反應(yīng)材料的配比如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品及配方 （％）Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

1.2 模具設(shè)計(jì)及試件制備

圖1為設(shè)計(jì)的球缺形藥型罩壓藥模具示意圖，模壓出的藥型罩為等壁厚球缺形，內(nèi)外曲率半徑分別為1.8cm和1.95cm，實(shí)驗(yàn)壓制的藥型罩壁厚為1.5mm。

試件制備過(guò)程分3步：混藥-模壓-燒結(jié)。混藥過(guò)程為：稱取相應(yīng)質(zhì)量比的原料置于燒杯中，加入適量無(wú)水乙醇浸沒(méi)并機(jī)械攪拌20min，再將攪拌后的原料置于真空烘箱中加熱5～6h直至烘干，最后過(guò)篩得到均勻Mg/PTFE、Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Ti/PTFE、Al/Ni/PTFE、Al/Fe2O3(AR)/PTFE、Al/Fe2O3/PTFE粉末。利用成型模具及FLS30T液壓機(jī)模壓制備尺寸為Φ10mm×15mm的試件用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，如圖2（a）所示。同時(shí)利用設(shè)計(jì)的模具及FLS30T液壓機(jī)模壓制備固定形狀的藥型罩，如圖2（b）所示。對(duì)用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的各類試件以及藥型罩進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)驗(yàn)時(shí)燒結(jié)溫度設(shè)為350℃。燒結(jié)溫度控制過(guò)程曲線如圖2（c）所示。

圖1 壓藥模具示意圖Fig.1 Schematic of charge mould

圖2 模壓成型后的試件及燒結(jié)溫度控制示意圖Fig.2 Specimens after molding and schematic diagram of the sintering temperature control

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

參照GB/T 7314-2005 金屬材料 室溫壓縮試驗(yàn)方法，使用SFLS-30T萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)尺寸為Φ10mm ×15mm的各類試件進(jìn)行壓縮速度為0.03s-1的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件：準(zhǔn)靜態(tài)壓縮最大載荷設(shè)置為52kN，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃。實(shí)驗(yàn)測(cè)得試件的真實(shí)應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 試件受壓過(guò)程的真實(shí)應(yīng)力——應(yīng)變曲線（燒結(jié)溫度350℃）Fig.3 True stress vs strain curves of specimens in the compression process (sintering at 350℃)

各試件對(duì)應(yīng)的最大真實(shí)應(yīng)力值同時(shí)也是燒結(jié)過(guò)后相同材料氟基含能藥型罩的最大真實(shí)應(yīng)力值。

1.4 藥型罩相關(guān)參數(shù)及毀傷實(shí)驗(yàn)布置

8種藥型罩的相關(guān)參數(shù)如表2所示。圖4（a）為氟基含能藥型罩毀傷元的裝藥結(jié)構(gòu)，主要由殼體、氟基含能藥型罩、主裝藥組成。其中，主裝藥采用壓裝塑性炸藥，密度為1.57g/cm3；殼體材料采用尼龍塑料，分上下兩層，上層膠粘氟基含能藥型罩，下層壓裝塑性炸藥，中間隔層降低了塑性炸藥爆轟對(duì)藥型罩的直接沖擊作用。實(shí)驗(yàn)采用單靶板，靶板使用厚度為3mm的304不銹鋼板，氟基含能藥型罩與靶板的間距為5cm，采用電起爆方式。圖4（b）為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總體布置圖。

表2 8種藥型罩的相關(guān)參數(shù)Tab.2 The related parameters of eight kinds of liners

圖4 氟基含能藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總體布置圖Fig.4 The shaped charge of the liners and the setup of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 撞靶效果

點(diǎn)火后，氟基含能藥型罩毀傷元在炸藥爆轟壓力作用下高速撞擊鋼靶，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈火光，并在鋼靶上留下孔洞，反應(yīng)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)毀傷效果和各氟基含能藥型罩對(duì)靶板的穿孔孔徑大小如圖5所示。各氟基含能藥型罩毀傷元對(duì)靶板的毀傷效果數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)圖5以及表3的數(shù)據(jù)分析可知：（1）各氟基含能藥型罩都能在TNT驅(qū)動(dòng)下成功撞擊靶板，根據(jù)撞擊時(shí)的劇烈反應(yīng)現(xiàn)象以及靶板正面撞擊部位的黑色燒蝕痕跡，可以確定各氟基含能藥型罩都成功撞擊反應(yīng)。（2）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#藥型罩均能在撞擊靶板反應(yīng)的同時(shí)擊穿靶板；而6#藥型罩在撞擊靶板反應(yīng)的同時(shí)未能擊穿靶板，僅在撞擊部位造成變形凹坑。（3）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#藥型罩以及0#藥型罩（未裝藥型罩）均能成功擊穿靶板，但由圖5（e）和圖5（f）可知，0#藥型罩造成的穿孔是沖塞形孔洞，而其余藥型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，這表明氟基含能藥型罩能產(chǎn)生較好的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)。（4）1#藥型罩對(duì)靶板的貫穿效果最好，穿孔直徑達(dá)到13cm；6#藥型罩對(duì)靶板的貫穿效果最差，未能貫穿靶板。

圖5 實(shí)驗(yàn)毀傷效果Fig.5 The damage effect of the experiment

表3 各氟基含能藥型罩對(duì)靶板的毀傷效果相關(guān)參數(shù)Tab.3 The related parameters of the damage effect to the amours of liners

2.2 撞靶行為分析

氟基含能藥型罩在TNT炸藥驅(qū)動(dòng)下以極高的速度撞擊靶板，在撞擊靶板瞬間發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)并釋放大量熱量，同時(shí)對(duì)靶板造成貫穿和徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)。各氟基含能藥型罩撞擊瞬間發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

其中，1#藥型罩和7#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值分別為44MPa和41MPa，對(duì)靶板開孔效果極好，開孔直徑分別為13cm和12cm；2#藥型罩、3#藥型罩、4#藥型罩、8#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值分別為59MPa、57MPa、42MPa、38MPa，對(duì)靶板開孔效果較好，開孔直徑分別為8cm、6cm、6cm、8cm；5#藥型罩能承受的最大應(yīng)力值為79MPa，對(duì)靶板開孔效果一般，開孔直徑為2.5cm；6#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值為21MPa，對(duì)靶板開孔效果極差，未能貫穿靶板。

由以上分析可以看出：（1）各氟基反應(yīng)藥型罩均能在高速撞擊下成功發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并能對(duì)靶板產(chǎn)生穿孔擴(kuò)孔作用（6#藥型罩除外）；（2）Mg/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩（1#）在撞擊瞬間能發(fā)生劇烈氟化還原反應(yīng)，導(dǎo)致藥型罩在穿靶過(guò)程對(duì)靶孔產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)，開孔直徑達(dá)到13cm；Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩（7#）在撞擊瞬間能同時(shí)發(fā)生劇烈氟化還原反應(yīng)以及鋁熱還原反應(yīng)，生成高溫金屬熔渣較多，導(dǎo)致藥型罩在穿靶過(guò)程對(duì)靶孔產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)，開孔直徑達(dá)到12cm。（3）從靶板的穿孔效果來(lái)看，靶板穿孔效應(yīng)與氟基含能藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值有關(guān)，藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致藥型罩在撞擊靶板瞬間完全破碎，雖然仍能有效反應(yīng)，但會(huì)導(dǎo)致藥型罩對(duì)靶板穿孔擴(kuò)孔失敗，所以6#藥型罩（能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值為21MPa）雖然成功撞擊反應(yīng)，但未能貫穿靶板。

3 結(jié)論

本文利用設(shè)計(jì)的球缺形藥型罩壓藥模具，選取了8種不同氟基反應(yīng)材料，并通過(guò)模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強(qiáng)度的氟基含能藥型罩，并利用塑性炸藥對(duì)其進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)撞靶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）各氟基含能藥型罩都能在炸藥驅(qū)動(dòng)下成功撞擊反應(yīng)，并能對(duì)靶板產(chǎn)生穿孔擴(kuò)孔作用（6#藥型罩除外）。（2）0#（未裝藥型罩）藥型罩對(duì)靶板造成的穿孔是沖塞形孔洞，而氟基含能藥型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，這表明氟基含能藥型罩能產(chǎn)生較好的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)。（3）Mg/PTFE反應(yīng)材料和Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩在穿靶過(guò)程對(duì)靶孔會(huì)產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩僅在撞擊部位造成變形凹坑。（4）靶板穿孔效應(yīng)也與氟基含能藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值有關(guān)，藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致藥型罩在撞擊靶板瞬間完全破碎，雖然仍能有效反應(yīng)，但會(huì)導(dǎo)致藥型罩對(duì)靶板穿孔擴(kuò)孔能力下降。

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Research on Preparation and Mutilate Performance of Fluoropolymer-Matrix Energetic Liners

TAO Zhong-ming，F(xiàn)ANG Xiang，LI Yu-chun，F(xiàn)ENG Bin，WANG Huai-xi，HUANG Jun-yi
(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing, 210007）

Using charge mould of hemispherical liner and selecting eight kinds of fluoropolymer-matrix reactive materials，a group of certain intensity fluoropolymer-matrix energetic liners were prepared, by moulding and sintering method，as well as the impact experiment was carried out by the explosive driver. The results show that fluoropolymer-matrix energetic liners can produce chemical reaction under the impact by the explosive driver, and can effectively penetrating the steel plate. The liners which were made of reactive Mg/PTFE and Al/Fe2O3/PTFE materials can effectively penetrating the steel plate, and the aperture size for the steel plate are13cm and 12cm. But the liner made of reactive Al/Fe2O3（AR）/PTFE material, just caused deformation pits in the impact site.The steel plate perforation effect with the maximum real stress of the fluoropolymer-matrix energetic liners were concerned，the lower maximum real stress value of liners can cause the failure of penetrating and reaming to the steel plate.

Liner；Reactive material；PTFE；Impact reaction；Penetration

TJ410.3+33

A

1003-1480（2016）06-0013-04

2016-09-27

陶忠明（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事爆破技術(shù)研究工作。

國(guó)家科學(xué)自然基金（批準(zhǔn)號(hào)：51673213）。