Al/PTFE制備工藝與含能破片燃燒效應(yīng)

彭琳茜，喬相信，朱曉麗，徐文科，劉海龍，徐赫陽(yáng)

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045；3.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000)

Al/PTFE制備工藝與含能破片燃燒效應(yīng)

彭琳茜1，喬相信1，朱曉麗2，徐文科2，劉海龍3，徐赫陽(yáng)1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045；3.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000)

為研究Al/PTFE制備工藝與含能破片燃燒效應(yīng)，采用粉末冶金方法制備了Al/PTFE含能破片，通過(guò)靶場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證Al/PTFE含能破片撞擊Al板后的燃燒效應(yīng)。結(jié)果表明：提高模壓壓力和通過(guò)燒結(jié)均能提高Al/PTFE材料的密度；Al/PTFE含能破片撞擊目標(biāo)并受到較大的擠壓能使含能破片中的含能材料發(fā)生反應(yīng)并放出熱量，引燃浸有柴油的油布或油箱。

粉末冶金；Al/PTFE含能破片；燃燒

Al/PTFE復(fù)合材料是一種新型的含能材料，國(guó)外一般稱(chēng)之為Reactive Materials(反應(yīng)材料)，或IMPaact-initiated Energetic Materials(沖擊引發(fā)的含能材料)。該材料具有化學(xué)潛能，可在高速撞擊時(shí)引發(fā)金屬顆粒和氟聚基材料的反應(yīng),放出熱量。由于該材料的高能、鈍感和獨(dú)特的能量釋放特性，可廣泛應(yīng)用在軍工、太空、石油工業(yè)等方面[1-4]。在軍工領(lǐng)域，油箱是現(xiàn)代武器裝備中的重要部件，一旦油箱被引燃，將會(huì)給目標(biāo)造成巨大的毀傷效果，但是以鋼球或鎢球制成的傳統(tǒng)預(yù)制破片攻擊油箱時(shí)，依靠破片的動(dòng)能只能穿透油箱不能引燃油箱，為達(dá)到引燃油箱的目的，需要一種新型的預(yù)制破片。

由于Al/PTFE含能材料具有特殊的能量反應(yīng)特性，可制成一種新型的預(yù)制破片，該預(yù)制破片在撞擊油箱的同時(shí)自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量引燃油箱，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多重毀傷。文獻(xiàn)[5-6]等采用冷壓燒結(jié)工藝制備了Al/PTFE含能材料并對(duì)其工藝過(guò)程及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al粉含量為26%、壓制壓力為9MPa、燒結(jié)溫度為380℃時(shí)，其力學(xué)性能較好。據(jù)報(bào)道美國(guó)海軍研究辦公室[7](office of naval research,ONR)對(duì)比反應(yīng)破片與普通破片戰(zhàn)斗部的毀傷效果，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)破片的殺傷半徑是普通預(yù)制破片的2倍，毀傷效果是普通預(yù)制破片的500%，化學(xué)潛能是惰性破片平均動(dòng)能的12倍。肖統(tǒng)超等[8]比較了單枚惰性破片(鎢球破片)、穿燃破片(鎢粉和鋯粉混合燒結(jié)而成)、反應(yīng)破片(反應(yīng)材料)對(duì)飛機(jī)油箱的引燃效果，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)破片在對(duì)飛機(jī)油箱的毀傷能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

因此，本文采用粉末冶金方法制備Al/PTFE含能破片，探索模壓的壓力和燒結(jié)前后Al/PTFE含能材料密度的變化，通過(guò)靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Al/PTFE含能破片的燃燒效應(yīng)，為含能破片的制備提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 Al/PTFE含能材料的制備流程

Al/PTFE含能材料的制備在沈陽(yáng)理工大學(xué)鎢基納米粉體及細(xì)晶合金實(shí)驗(yàn)室完成，稱(chēng)取不同質(zhì)量粒徑為6～7μm的Al粉與PTFE微粉在三維混料機(jī)上進(jìn)行干式球磨混合，球料比為5∶1，混料時(shí)間為4h，配置不同Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品；將配置好的粉末放在769YP-24B粉末壓片機(jī)上采用不同壓力模壓成直徑為8mm的圓柱狀壓坯試樣，將壓坯放在Nabertherm管式爐里在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行380℃燒結(jié)，升溫速率為10℃/min，得到一定致密度的試樣。Al/PTFE含能材料的制備流程如圖1所示。

圖1 Al/PTFE含能材料的制備流程

用JS-300E型電子比重計(jì)測(cè)量密度，精度為0.001，每個(gè)樣品均測(cè)量3次取其平均值，用UNIPOL-820型研磨拋光機(jī)進(jìn)行研磨和拋光，用日立S-3400N掃描電子顯微鏡觀(guān)看樣品的微觀(guān)組織。

2 Al/PTFE含能材料的制備工藝

2.1 材料配比對(duì)Al/PTFE反應(yīng)的影響

根據(jù)Al和PTFE反應(yīng)的方程式[6]

4Al+3(-C2F4-)→4AlF3+6C

(1)

可計(jì)算Al和PTFE完全反應(yīng)的質(zhì)量比為26∶74，由此推知，當(dāng)Al粉含量為26%時(shí)是理論上Al和PTFE反應(yīng)的最佳配比，在試驗(yàn)中也是最易發(fā)生反應(yīng)的。當(dāng)Al粉過(guò)少時(shí)，不能提供足夠的原子與PTFE反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量減少；當(dāng)Al粉過(guò)多時(shí)，Al原子與Al原子相互擠壓，不能與PTFE充分接觸發(fā)生反應(yīng)。因此，在Al/PTFE含能材料的研制中配比采用26%的Al和74%的PTFE。

2.2 模壓壓力對(duì)Al/PTFE密度的影響

圖2是不同Al含量的Al/PTFE密度隨壓力的變化。從圖2中可以看出,當(dāng)Al粉含量為20%、26%、35%、40%時(shí)，隨著壓力的升高,密度都呈現(xiàn)出先升后降又緩慢升高的趨勢(shì)。當(dāng)壓力在0～9MPa之間時(shí),密度隨壓力的升高而增大；當(dāng)壓力在9～12MPa之間時(shí),密度隨壓力的增大逐漸減小,Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,密度減小的程度越大；當(dāng)壓力在12～15MPa之間時(shí)，Al粉含量為26%、35%、40%時(shí)的密度隨壓力的升高而緩慢增大；Al粉含量為20%時(shí)，密度出現(xiàn)了下降；當(dāng)壓力在15～18MPa之間時(shí)，密度隨壓力升高增加緩慢 。其原因可能是，當(dāng)壓力為0～9MPa時(shí)，拱橋被破壞，Al粉顆粒發(fā)生位移并迅速填充粉末間孔隙，使壓坯體積減小，密度增大;當(dāng)壓力增至9MPa時(shí)，充填密度已達(dá)到最大，這時(shí)粉末體出現(xiàn)了一定的壓縮阻力，此時(shí)壓力雖然繼續(xù)增加，但是壓坯密度增加很少；繼續(xù)增大壓力，超過(guò)Al粉的臨界應(yīng)力值后，Al粉破裂，顆粒間孔隙增多，由于PTFE的粘接性使破裂的Al粉顆粒不能很快地將空隙填滿(mǎn)，使得密度在壓力超過(guò)9MPa時(shí)反而下降，Al粉越多，壓力下降的趨勢(shì)越明顯。當(dāng)壓力繼續(xù)增大，由于變形和位移的雙重作用，壓坯的密度又隨之增大。

圖2 不同Al含量的Al/PTFE密度隨模壓壓力的變化

2.3 燒結(jié)工藝對(duì)Al/PTFE密度的影響

圖3是Al含量為10%、26%、40%、74%時(shí)，380℃燒結(jié)前后Al/PTFE的密度變化。從圖3可以看出，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al密度發(fā)生了不同程度地變化，當(dāng)Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、26%、40%時(shí)，燒結(jié)之后密度增大，但增加的幅度越來(lái)越?。划?dāng)Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時(shí)，燒結(jié)之后密度減小。圖4是含26%Al的Al/PTFE經(jīng)過(guò)燒結(jié)的微觀(guān)組織，其中圓球狀的為Al顆粒，PTFE經(jīng)過(guò)燒結(jié)已經(jīng)連成一片。當(dāng)采用380℃溫度燒結(jié)時(shí)，PTFE顆粒沿邊緣接觸點(diǎn)融化，使單片狀PTFE逐漸連成一片，Al粉顆粒散落其中，鑲嵌在熔融PTFE中；冷卻后，Al和PTFE形成一個(gè)整體，兩者粘合得較為緊密，沒(méi)有出現(xiàn)較多的空洞和空隙，此時(shí)，樣品的密度升高。由于Al粉對(duì)PTFE熔融溫度的影響，當(dāng)Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74%、380℃燒結(jié)時(shí)，部分聚四氟乙烯已經(jīng)發(fā)生了分解，所以燒結(jié)后，壓坯的密度反而降低。

圖3 不同成分的鋁在380℃溫度下燒結(jié)前后的密度

圖4 含26%Al的Al/ PTFE燒結(jié)后的微觀(guān)組織圖

3 Al/PTFE破片引燃效應(yīng)試驗(yàn)

將含能材料柱放置在內(nèi)徑為8mm、外徑為12mm、高度為12mm的35CrMnSiA殼體中并用端蓋密封成含能破片，裝在直徑為14.5mm的藥筒里，如圖5所示。表1為3個(gè)試驗(yàn)所采用的含能破片材料的具體數(shù)據(jù)，壓制壓力為9MPa,燒結(jié)溫度為380℃。

表1 Al/PTFE材料制備數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中采用14.5mm彈道槍發(fā)射14.5mm彈丸，通過(guò)改變發(fā)射藥量調(diào)節(jié)發(fā)射速度。高速攝影機(jī)放置在距靶板一定距離的右側(cè)(型號(hào)PHANTOM220)，拍攝頻率為3000fps。外部環(huán)境溫度為15℃。1號(hào)試驗(yàn)采用12mm厚、300mm×300mm Al板作為靶板,放置在距離彈道槍7.2m的正前方，油布掛在靶板后面。2號(hào)試驗(yàn)為了使Al/PTFE充分反應(yīng)，在Al板后方100mm處放置一塊3mm厚的鋼板，在鋼板的前方放置一塊浸有柴油的油布。3號(hào)試驗(yàn)將Al板換成6mm厚Q235鋼制300mm×300mm×300mm的油箱，油箱中裝油量為1/2，此時(shí)油箱正面距離彈道槍6.9m。靶場(chǎng)設(shè)置如圖6所示。

圖5 Al/PTFE含能破片

圖6 靶場(chǎng)設(shè)置

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 Al/PTFE含能破片撞擊Al板

1號(hào)試驗(yàn)中，含能破片以V=1200m/s的速度撞擊Al板，如圖7所示，含能破片與Al板發(fā)生摩擦，出現(xiàn)火花，冒出大量白煙，但沒(méi)有引燃Al板后面浸有汽油的油布?？赡苁且?yàn)锳l板強(qiáng)度較低，含能破片穿透Al板時(shí)沒(méi)有受到劇烈擠壓，不能致使Al和PTFE發(fā)生反應(yīng)，放出熱量引燃油布，因此，1號(hào)實(shí)驗(yàn)Al和PTFE沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只是出現(xiàn)撞擊產(chǎn)生的火光沒(méi)有引燃油布。2號(hào)試驗(yàn)中，在Al板后面放置一塊鋼板，含能破片穿過(guò)Al板，撞擊鋼板后，迅速將放在鋼板前方的油布點(diǎn)著，持續(xù)燃燒數(shù)秒后熄滅，如圖8所示；2號(hào)試驗(yàn)中油布被引燃，可能是因?yàn)锳l/PTFE含能破片撞擊鋼板時(shí)受到劇烈擠壓發(fā)生變形導(dǎo)致Al和PTFE發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生爆燃引燃油布。3號(hào)試驗(yàn)中，Al/PTFE含能破片以V=1200m/s的速度撞擊油面上方，由圖9中可以看出，油箱均被引燃，但持續(xù)燃燒的時(shí)間較短；當(dāng)Al/PTFE含能破片撞擊油箱時(shí)受到擠壓，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生爆燃，點(diǎn)燃油箱中的柴油。

圖8 Al/PTFE含能破片撞擊Al板和鋼板

圖9 Al/PTFE含能破片撞擊油箱

5 結(jié)論

通過(guò)研究Al/PTFE含能材料的制備和靶場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其燃燒效應(yīng)，得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)含能破片中Al含量為26%和20%時(shí)，取得了較好的燃燒效果。

(2) 當(dāng)壓制壓力在0～9MPa之間時(shí),Al/PTFE的密度隨壓力的升高而增大；當(dāng)壓力在9～12MPa之間時(shí),Al/PTFE密度隨壓力的增大逐漸減??；當(dāng)壓力在12～15MPa之間時(shí)，Al粉含量為26%、35%、40%時(shí)的密度隨壓力的升高而緩慢增大，而當(dāng)Al粉含量為20%時(shí)，密度出現(xiàn)了下降；當(dāng)壓力在15～18MPa之間時(shí)，Al/PTFE密度隨壓力升高增加緩慢。

(3) 燒結(jié)對(duì)材料的密度有一定的提高作用。當(dāng)Al粉含量為10%、26%、40%時(shí)，燒結(jié)后材料的密度增加；隨著Al粉含量的增加，密度增加的幅度越來(lái)越??；當(dāng)鋁粉含量為75%時(shí)，燒結(jié)之后材料的密度反而減小。

(4) Al/PTFE含能破片以速度V=1200m/s穿透鋼板的過(guò)程中必須受到較大的擠壓，發(fā)生劇烈變形，才能激發(fā)含能破片中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放熱能并引燃油布。當(dāng)Al/PTFE含能破片撞擊裝有1/2柴油油箱的油面上方時(shí)，可以引燃油箱中的柴油。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

TheMethodofAl/PTFEPreparationTechnologyandtheBurningEffectofEnergeticFragment

PENG Linxi1,QIAO Xiangxin1,ZHU Xiaoli2,XU Wenke2,LIU Hailong3,XU Heyang1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoshen Industries Croup Co.Ltd,Shenyang 110045,China;3.CRRC QINGDAO SIFANG CO.,LTD.Qingdao 266000,China)

In order to study the preparation technology of Al/PTFE and the burning effect of energetic fragment,the Al/PTFE reactive material was preperad by using the powder metallurgy method.The experiment has venified the burning effect that the Al/PTFE energetic fragment penetrates the Al target plate.Results show that,with the increase of pressure and in a way of sinter,the density of Al/PTFE gradually increases.With the big pressure when the Al/PTFE energetic fragment penetrates the target plate,the energetic fragment releases energe to burn the fuel tank that contain the diesel oil.Keywordspowder metallurgy;Al/PTFE energetic fragment;burn

2017-01-05

彭琳茜(1991—)，女，碩士研究生；通訊作者：?jiǎn)滔嘈?1959—)，教授，研究方向：彈藥工程。

1003-1251(2017)04-0057-05

TJ55;O389

A