一種反應(yīng)材料制備及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性研究

劉曉俊， 任會(huì)蘭

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

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一種反應(yīng)材料制備及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性研究

劉曉俊， 任會(huì)蘭

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

采用熱壓燒結(jié)法制備Zr/W/PTFE反應(yīng)材料，利用掃描電鏡和材料試驗(yàn)機(jī)研究其在常態(tài)下的微觀組織和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能；研究結(jié)果表明燒結(jié)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致Zr/W/PTFE材料密度和強(qiáng)度降低；靜態(tài)壓縮曲線(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的彈性變形、非彈性變形和應(yīng)變軟化階段，并具有應(yīng)變率效應(yīng)；試件的壓縮破壞有劈裂、剪切和劈裂/剪切3種破壞形態(tài). 該材料呈現(xiàn)出黏彈塑性，采用修正的Sargin模型唯象地建立了材料在低應(yīng)變率范圍內(nèi)的本構(gòu)模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)符合較好.

Zr/W/PTFE反應(yīng)材料；制備；力學(xué)特性；本構(gòu)模型

反應(yīng)材料[1]最早是由美國(guó)海軍提出的一類(lèi)提高破片戰(zhàn)斗部毀傷效能的新材料，其一般由多種非爆炸性固體物質(zhì)組成，在強(qiáng)沖擊條件下會(huì)發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)或爆炸. 常態(tài)下保持鈍感的該類(lèi)材料，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受爆炸加載并保持較好的完整性，貫穿目標(biāo)殼體后在其內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)釋放大量的能量來(lái)增加毀傷效果. 反應(yīng)材料因在軍事上的廣闊應(yīng)用前景得到了廣泛關(guān)注[2]，同時(shí)其在推進(jìn)、焊接、煙火和石油等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用[3-4].

金屬/氟聚物因其高能量水平和獨(dú)特的反應(yīng)釋能等特性成為目前研究最多的反應(yīng)材料. Willis Mock等[5]對(duì)PTFE/AL研究發(fā)現(xiàn)鋁的粒徑會(huì)影響其反應(yīng)閾值. Cai Jing[6]， Herbold E B等[7]對(duì)PTFE/A1/W的沖擊壓縮動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考慮顆粒尺寸等細(xì)觀因素對(duì)強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了二維仿真研究. 張先鋒等[8]對(duì)反應(yīng)材料及其應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，并提出研究方向. 中國(guó)工程物理研究院黃亨建等對(duì)PTFE/AL增強(qiáng)型破片實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其化學(xué)潛能約為其平均動(dòng)能的12.4倍，具有比相同尺寸的惰性鋼破片更大的毀傷性. 王海福等[9]對(duì)反應(yīng)破片沖擊反應(yīng)、能量釋放行為等宏觀特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 陽(yáng)世清、徐松林等[10-11]對(duì)PTFE/Al的制備工藝和力學(xué)特性進(jìn)行了研究，建立了基于Johnson-Cook模型的沖擊本構(gòu)，獲取了不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變行為.

金屬/氟聚物的強(qiáng)度普遍偏低，還不足以單獨(dú)成為毀傷元的結(jié)構(gòu)件材料. 力學(xué)性能是反應(yīng)材料設(shè)計(jì)和獲得應(yīng)用的關(guān)鍵而需重點(diǎn)關(guān)注，本文針對(duì)Zr/W/PTFE材料的制備和其準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行研究.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及制備

試驗(yàn)所用各種原料的粒徑和成分配比見(jiàn)表1，采用熱壓燒結(jié)方法制備了3組Zr/W/PTFE反應(yīng)材料，其工藝流程如圖1所示.

表1 各成分及配比

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)是在北京理工大學(xué)西山實(shí)驗(yàn)區(qū)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成的，在應(yīng)變率為0.000 1，0.001 0和0.010 0 s-1條件下對(duì)尺寸為Φ10 mm×10 mm試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)密度影響

PTFE屬直鏈狀熱塑性聚合物，其結(jié)晶度很大程度受制于成型時(shí)的燒結(jié)溫度影響. PTFE的結(jié)晶熔點(diǎn)為327 ℃，高于此溫度時(shí)結(jié)晶區(qū)域消失轉(zhuǎn)為透明的無(wú)定形凝膠狀態(tài)，當(dāng)溫度低于此溫度時(shí)又重結(jié)晶. 不同燒結(jié)溫度下Zr/W/PTFE試樣的密度見(jiàn)表2，材料在380 ℃下燒結(jié)得到的試樣密度要明顯高于另外兩組下燒結(jié)得到的試樣. 對(duì)試樣進(jìn)行XRD分析，如圖2所示. 可知該制備流程中燒結(jié)制度下并未生成新的結(jié)晶物質(zhì)，密度變化可能是[10]：PTFE基體在燒結(jié)溫度為370 ℃時(shí)熔融混合不夠充分，以至冷卻后結(jié)晶度不高造成試樣密度下降；當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到390 ℃時(shí)，PTFE聚合物的裂解速度逐漸加快，會(huì)分解出少量四氟乙烯、全氟丙烯和八氟環(huán)丁烷等氣體，試樣內(nèi)部產(chǎn)生孔洞致使密度下降，如圖3所示.

表2 燒結(jié)溫度對(duì)Zr/W/PTFE材料密度的影響

Tab.2 Relation between sintering temperature and Zr/W/PTFE density

燒結(jié)溫度/℃密度/(g·cm-3)致密度/%370632897738065292613906008523

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

不同燒結(jié)溫度Zr/W/PTFE試樣在應(yīng)變率為0.001 s-1加載下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖4所示. 材料在380 ℃下燒結(jié)得到的試件壓縮強(qiáng)度要明顯高于390 ℃，略高于370 ℃下燒結(jié)得到的試件. 制備的該材料屬于顆粒增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，其力學(xué)特性主要依賴(lài)于基體性能以及基體與增強(qiáng)顆粒間形成的界面. PTFE燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)相變過(guò)程，當(dāng)溫度超過(guò)327 ℃，大分子結(jié)構(gòu)中的晶體部分全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度低于此溫度時(shí)又復(fù)結(jié)晶，且燒結(jié)后的冷卻速度與結(jié)晶度相關(guān). 370 ℃下燒結(jié)得到的試件相對(duì)于380 ℃組燒結(jié)溫度偏低，且冷卻速度快，材料結(jié)晶度小，故其壓縮強(qiáng)度略低. 由于390 ℃燒結(jié)溫度偏高，不僅試樣孔隙率高，且部分結(jié)晶的PTFE聚合物會(huì)變成脆的硬橡膠、琺瑯質(zhì)狀的無(wú)定形物質(zhì)，所以基體內(nèi)部缺陷多，粘結(jié)界面相對(duì)較弱而導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度變低.

在3種低應(yīng)變率加載條件下，對(duì)380 ℃-Zr/W/PTFE材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖5所示. 可以看出材料的壓縮強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率效應(yīng)，應(yīng)變率為0.001 0和0.000 1 s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)幾乎重合，故可以用0.001 0 s-1應(yīng)變率壓縮表征其準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng). 應(yīng)變率0.001 0 s-1下的多組試驗(yàn)重復(fù)性較好，表明該制備工藝流程品控較為可靠.

從圖4和圖5中可以看出，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，可將其分為以下4個(gè)階段：① 初始?jí)簩?shí)階段：受壓初期，隨著載荷的逐漸增加，試件、壓頭及墊塊之間接觸也越來(lái)越緊密，使得應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈上凹狀；② 線(xiàn)彈性階段：由于試件中應(yīng)力較小，金屬顆粒與PTFE基體接觸界面裂縫保持穩(wěn)定，材料主要發(fā)生為PTFE鍵長(zhǎng)鍵角產(chǎn)生的形變及鏈段的運(yùn)動(dòng)[10]，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)；③ 非線(xiàn)性強(qiáng)化階段：當(dāng)應(yīng)力加載到某一水平時(shí)，材料內(nèi)部不僅接觸界面裂縫系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，而且PTFE基體中裂縫增加、摩擦滑移、彎折穩(wěn)定擴(kuò)展造成應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)明顯彎曲趨向水平，呈現(xiàn)非線(xiàn)性強(qiáng)化行為；④ 應(yīng)變軟化階段：當(dāng)達(dá)到峰值荷載后材料承載能力逐漸降低，出現(xiàn)明顯應(yīng)變軟化現(xiàn)象，裂縫發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展將導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低直至破壞.

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞模式

圖6給出了壓縮試驗(yàn)中試樣發(fā)生的典型破壞形貌，其主要破壞模式為大致沿軸向平行方向的劈裂破壞和剪切破壞，且通常兩種模式同時(shí)存在.

隨著載荷的增加，試樣基體內(nèi)部存在的孔洞和基體與金屬顆粒間界面的裂紋尖端具有較強(qiáng)的應(yīng)力集中，當(dāng)其應(yīng)力集中因子超過(guò)基體的斷裂韌度時(shí)，在尖端處萌生拉伸裂紋并迅速擴(kuò)展，最終擴(kuò)展至與外加最大應(yīng)力近似平行的方向，呈現(xiàn)劈裂形式破壞[12-13]. 當(dāng)材料進(jìn)入非線(xiàn)性強(qiáng)化階段，材料變形主要集中于一小部分區(qū)域上形成變形局部化剪切帶，金屬顆粒和PTFE基體之間產(chǎn)生相對(duì)滑移從而導(dǎo)致材料剪切破壞. 隨著壓頭繼續(xù)下壓，材料承載能力下降加快，裂縫向試件的角部和內(nèi)部延伸和拓展，壓頭與試件接觸面因摩擦作用而產(chǎn)生端面效應(yīng)，兩端面變形較小，試件中部靠近表面材料外脹、剝落，最終呈現(xiàn)如圖6(d)所示正倒相接的四角錐破壞形態(tài).

對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)回收的試樣斷面進(jìn)行細(xì)觀觀察，圖7為放大1 000倍時(shí)的形貌. 從圖中可以看出，在斷面上存在金屬顆粒與PTFE基體分離及基體斷裂的現(xiàn)象，這也證明該材料壓縮性能主要取決于基體特性和基體與金屬顆粒間形成的界面質(zhì)量.

3 黏彈性本構(gòu)模型

試樣的壓縮強(qiáng)度隨著加載應(yīng)變率的升高而增大，其臨界應(yīng)變值應(yīng)變率效應(yīng)不明顯，其值基本為常數(shù)，約為0.072. 故可以采用應(yīng)力歸一化的方法研究其本構(gòu)，令歸一化應(yīng)力為

(1)

式中：σ為試樣的壓縮應(yīng)力；σc為試樣的壓縮強(qiáng)度. 材料在不同應(yīng)變率條件下獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)經(jīng)歸一化處理后基本重合，如圖8所示.

發(fā)現(xiàn)該材料壓縮應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律與混凝土、炸藥類(lèi)似，塑性硬化之后會(huì)產(chǎn)生塑性軟化效應(yīng). Sargin提出的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變模型能夠較好模擬材料發(fā)生的塑性硬化-軟化現(xiàn)象，但其并未考慮應(yīng)變率效應(yīng)，認(rèn)為試樣的最大壓縮應(yīng)力與破壞時(shí)的極限應(yīng)變均為常數(shù)[14]. 因此，可以考慮應(yīng)變率效應(yīng)后修正的Sargin模型描述Zr/W/PTFE的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng)，有

(2)

式中：C1為控制曲線(xiàn)上升階段參數(shù)；C2為主要影響試樣破壞之后的軟化階段參數(shù)；C3和n為靜態(tài)加載應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)，擬合得

C1=3.29，C2=-0.8，C3=-1.122 8，n=0.051.

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示.

從圖9中可以看出所建立的本構(gòu)模型能較好地描述材料在低應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變行為.

4 結(jié) 論

利用熱壓燒結(jié)制備了Zr/W/PTFE材料，并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了該材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和細(xì)觀破壞形態(tài)，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，主要結(jié)論如下：

① 該制備工藝較為可靠，并發(fā)現(xiàn)380 ℃下制備的試樣性能參數(shù)較好，密度為6.52 g/cm3，92.61%TMD，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度為40 MPa. 燒結(jié)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致材料密度和壓縮強(qiáng)度的降低.

② 對(duì)試樣進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得材料在0.000 1～0.010 0 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，其壓縮強(qiáng)度具有一定的應(yīng)變率效應(yīng).

③ 在準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，試樣發(fā)生的主要破壞模式為劈裂和剪切破壞，該材料的壓縮強(qiáng)度取決于基體以及基體與增強(qiáng)顆粒間形成的界面.

④ 該材料呈現(xiàn)出黏彈塑性，故利用修正的Sargin模型，建立了材料在低應(yīng)變率范圍內(nèi)的本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)該模型能較好地描述其在單軸壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng).

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Preparation and Quasi-Static Mechanical Properties of a Reactive Material

LIU Xiao-jun， REN Hui-lan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The Zr/W/PTFE reactive material was sintered by hot-pressing, the microstructure photos and the quasi-static compression mechanical properties were investigated experimentally using SEM and MTS at room temperature. Results show that the density and strength of Zr/W/PTFE material will reduce when the sintering temperature is too high or too low. The quasi-static compression curves can be broadly divided into elastic deformation region，inelastic deformation region and strain softening region, and also demonstrate a distinct strain rate effect in the material. The specimens display three kinds of fracture modes, the splitting failure, the shear failure and the splitting/shear failure under the static compressive load. According to the failure strength with strain rate and visco-elastoplasticity, a modified Sargin constitutive model of the material at low strain rate was proposed. The simulation results of the constitutive model well accord with the experimental results.

Zr/W/PTFE reactive materials；preparation；mechanical properties；constitutive model

2014-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11172045)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2010CB832706)

劉曉俊(1989—)，男，博士生，E-mail:shooterlnz@163.com.

任會(huì)蘭(1973—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:huilanren@bit.edu.cn.

TB 333； O 341

A

1001-0645(2016)04-0365-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.04.006