Al-PTFE-SiC反應(yīng)材料制備及性能研究

吳家祥，方 向，李裕春，高振儒，毛益明，王懷璽

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Al-PTFE-SiC反應(yīng)材料制備及性能研究

吳家祥，方 向，李裕春，高振儒，毛益明，王懷璽

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

采用模壓燒結(jié)工藝制備了5類不同SiC含量的Al-PTFE-SiC試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和落錘撞擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同試件的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線及撞擊感度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：在SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~30%的范圍內(nèi)，隨SiC含量的增加，Al-PTFE-SiC試件強(qiáng)度增大，撞擊感度減?。辉谕饨巛斎肽芰肯嗤闆r下，試件反應(yīng)劇烈程度隨 SiC含量增大而降低。因存在應(yīng)變率效應(yīng)，Al-PTFE-SiC試件在不同應(yīng)變率條件下呈現(xiàn)不同的力學(xué)特性及反應(yīng)特性。

反應(yīng)材料；Al-PTFE-SiC；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮；力學(xué)性能；撞擊感度

鋁-聚四氟乙烯(Al-PTFE)是一種典型的反應(yīng)材料(reactive material, RM)，相比于炸藥和推進(jìn)劑等傳統(tǒng)的含能材料，具有能量密度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械性能好、較易制備等特性，在沖擊作用下可發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)并釋放大量熱量，又稱為沖擊引發(fā)反應(yīng)的含能材料[1-3]。在軍事應(yīng)用上，正成為近幾年含能材料領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)。

Al-PTFE反應(yīng)材料能否獲得較好的應(yīng)用，關(guān)鍵在于是否有足夠的強(qiáng)度。為了提高材料的強(qiáng)度和密度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)Al-PTFE在不同影響因素下的工程應(yīng)變及加入不同填充劑后的性能變化情況開展實(shí)驗(yàn)性研究[4-5]。徐松林等[6]研究發(fā)現(xiàn)Al含量為6%時(shí)Al-PTFE材料強(qiáng)度最高；Cai等[7]發(fā)現(xiàn)W顆粒的加入能夠有效提高Al-PTFE的強(qiáng)度；同時(shí)，Herbold等[8]通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)W顆粒粒徑越小，材料強(qiáng)度越高。隨后，喬良等[9]、Zhang等[10]、Wang等[11]相繼研究了粒徑級(jí)配關(guān)系、加載應(yīng)變率和W質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PTFE-Al-W力學(xué)性能和反應(yīng)特性的影響。然而，之前的研究鮮有關(guān)于加入非金屬物質(zhì)后的相關(guān)性能研究。

SiC作為一種典型的陶瓷材料，具有耐磨損性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、抗酸堿腐蝕以及硬度高等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域[12]。其莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于金剛石10級(jí)，顯著高于W顆粒莫氏硬度7.5級(jí)。本文采用模壓燒結(jié)工藝，制備了不同配比條件下的Al-PTFE-SiC試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和落錘撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了Al-PTFE-SiC材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能和落錘撞擊感度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試件制備

材料：Al粉，平均粒徑6~7μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司；PTFE，平均粒徑25μm，上海三愛富新材料股份有限公司；SiC，平均粒徑7μm，秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司。SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、20%、30%，由于SiC不參與反應(yīng)，每組剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)中Al與PTFE按照化學(xué)平衡比（26%/74%）進(jìn)行配比，保證Al和PTFE能夠完全反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)樣品及配方如表1所示。

試件制備分為3步：（1）混藥：將稱取好的原料加入適量乙醇溶液，機(jī)械攪拌20min，進(jìn)而放至真空烘箱中干燥烘干；（2）模壓：將干燥后的粉末材料置于壓制模具內(nèi)，利用FLS30T液壓機(jī)將粉末在300MPa壓力下壓制成型，保壓時(shí)間60s；（3）燒結(jié)：將成型試件置于真空爐內(nèi)，設(shè)定升溫速率90℃·h-1，燒結(jié)溫度360℃，燒結(jié)時(shí)間6h，降溫速率50℃·h-1，最終得到如圖1所示的尺寸為Φ10mm×10mm（用于準(zhǔn)靜壓壓縮實(shí)驗(yàn)）和Φ10mm×3mm（用于落錘撞擊實(shí)驗(yàn)）的圓柱形試件。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品及配方

Tab.1 The samples and formulation for experiment

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和落錘撞擊實(shí)驗(yàn)試件

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

使用CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)Al-PTFE-SiC試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮速率為6mm·min-1，對(duì)應(yīng)應(yīng)變率為10-2s-1。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮最大加載力100kN，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度25℃。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)每一類試件進(jìn)行3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并記錄每個(gè)試件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

參照GJB 772A-1997方法601.2《撞擊感度——特性落高法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行撞擊感度測(cè)試。落錘質(zhì)量10kg，最大量程156cm，輸出能量0~152.9J，加載應(yīng)變率0 ~200s-1，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度24℃。利用高速攝影儀觀測(cè)試件被落錘撞擊后是否發(fā)生反應(yīng)，得到試件50%發(fā)火概率時(shí)的特性落高值50[13]，進(jìn)而對(duì)試件的撞擊感度做出評(píng)判。

2 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)5類試件分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，僅有1#試件發(fā)生較為劇烈的放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程如圖2所示；其余4類加入SiC的試件均未發(fā)生反應(yīng)，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后試件狀態(tài)如圖3所示。對(duì)比觀察圖3（a）~3（d），可以看出，隨SiC含量的增大，試件失效時(shí)形成的內(nèi)部發(fā)育性裂紋相應(yīng)減少，因此可推測(cè)SiC的加入可有效抑制裂紋的形成。

圖2 1#試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮反應(yīng)過程

圖3 2#～5#試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后狀態(tài)

圖3（e）為3#試件內(nèi)部失效形貌，從圖3（e）可以看出，試件為剪切失效，即試件如典型脆性材料般沿受壓方向45°（最大剪應(yīng)力方向）形成剪切裂紋。從反應(yīng)現(xiàn)象可知，在Al-PTFE材料中加入SiC，會(huì)影響Al-PTFE的反應(yīng)特性。圖4為試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。表2為試件的力學(xué)性能參數(shù)。

圖4 試件真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

表2 5類試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能參數(shù)

Tab.2 Mechanical properties of five kinds of specimens under quasi-static compression

從圖4（a）可以看出，3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線吻合度較高，說明實(shí)驗(yàn)的一致性較好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為可靠。從圖4（b）可以看出，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的整體形狀受SiC含量的影響較大。未加入SiC時(shí)，材料經(jīng)過應(yīng)變硬化階段后直接失效，失效應(yīng)力即最大應(yīng)力；加入SiC后，當(dāng)材料承受的應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度，試件出現(xiàn)短暫的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，進(jìn)而失效。從表2可知，隨著材料中SiC含量的增加，Al-PTFE- SiC試件的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等表征材料強(qiáng)度的參數(shù)隨之增大，當(dāng)SiC含量從0增大到30%時(shí)，試件的屈服強(qiáng)度從15.22MPa增加至30.66MPa，抗壓強(qiáng)度從90.69 MPa增加至124.48 MPa。綜合應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)及上述分析可知，在Al-PTFE材料中加入SiC粉末，可在壓縮過程中有效抑制裂紋的形成，從而顯著提高Al-PTFE材料的強(qiáng)度，且在0~30%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，SiC含量越高，壓縮過程中形成的裂紋越少，對(duì)材料強(qiáng)度的提高效果越明顯。

2.2 落錘撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)GJB 772A-1997方法601.2《撞擊感度——特性落高法》中撞擊感度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得5類試件的特性落高值50，結(jié)果如表3所示。

表3 5類試件落錘撞擊實(shí)驗(yàn)特性落高實(shí)測(cè)值

Tab.3 Values of the characteristic drop height for five kinds of specimen

表3數(shù)據(jù)表明，5類試件在落錘撞擊下均會(huì)發(fā)生反應(yīng)，其中1#試件特性落高最?。?8cm），表現(xiàn)最為敏感，5#試件特性落高最大（95cm），表現(xiàn)最為鈍感，由此可見，隨SiC含量增大，試件特性落高值隨之增大，即撞擊感度隨SiC含量增大而減小。同時(shí)，通過對(duì)比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下所有加入SiC試件均未發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，可推論材料在不同應(yīng)變率下會(huì)呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能及反應(yīng)特性，即存在應(yīng)變率效應(yīng)。圖5對(duì)比展示了落錘從120cm處下落撞擊試件后的反應(yīng)過程。

圖5 落錘撞擊試件后反應(yīng)過程

從圖5可以看出，當(dāng)落錘下落高度相同時(shí)，1#試件反應(yīng)最為劇烈，發(fā)火現(xiàn)象最為明顯，且爆炸聲最為尖銳，而相比之下，5#試件反應(yīng)過程最為平緩。因此，當(dāng)輸入能量相同時(shí)，Al-PTFE-SiC試件的反應(yīng)劇烈程度隨材料中SiC含量的增大而降低。對(duì)比材料反應(yīng)劇烈程度及準(zhǔn)靜壓條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線變化，結(jié)合反應(yīng)現(xiàn)象，可以推斷： SiC的加入可以顯著提升Al-PTFE -SiC材料的強(qiáng)度，但在相同質(zhì)量情況下，反應(yīng)的劇烈程度對(duì)傳播路徑上的材料配比敏感，加入SiC后，Al和PTFE的含量以及接觸面積相應(yīng)減少，導(dǎo)致材料感度與反應(yīng)劇烈程度隨之降低。

3 結(jié)論

本文采用模壓燒結(jié)工藝，制備了不同配比條件下的Al-PTFE-SiC試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和落錘撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了Al-PTFE-SiC材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能和落錘撞擊感度。研究結(jié)果表明：(1）在Al- PTFE材料中加入SiC，可在壓縮過程中有效抑制裂紋的形成，從而顯著提高Al-PTFE材料的強(qiáng)度，且在0~30%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，SiC含量越高，壓縮過程中形成的裂紋越少，對(duì)材料強(qiáng)度的提高效果越明顯。（2）落錘撞擊實(shí)驗(yàn)中，隨SiC含量的增加，Al-PTFE-SiC試件特性落高值隨之增大，即試件撞擊感度隨SiC含量增大而減小。（3）因試件反應(yīng)劇烈程度對(duì)傳播路徑上的材料配比敏感，在外界輸入能量相同情況下，試件反應(yīng)劇烈程度隨 SiC含量增大而降低。（4）因存在應(yīng)變率效應(yīng)，Al-PTFE-SiC試件在不同應(yīng)變率條件下呈現(xiàn)不同的力學(xué)特性及反應(yīng)特性。

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Research on Preparation and Performances of Al-PTFE-SiC Reactive Material

WU Jia-xiang, FANG Xiang, LI Yu-chun, GAO Zhen-ru, MAO Yi-ming, WANG Huai-xi

(College of Filed Engineering, Army Engineering University, Nanjing, 210007)

Five kinds of Al-PTFE-SiC specimens with different SiC content were prepared by molding and sintering method. The true stressstrain curves and impact sensitivity data of different specimens were obtained by quasi-static compression test and drop hammer impact test, the quasi-static compressive mechanical properties and drop impact sensitivity of Al-PTFE-SiC material were analyzed comparatively. The results show that in the range of 0~30% mass fraction of SiC, the strength of Al-PTFE-SiC specimens increase and the impact sensitivity decrease with the increase of SiC content. Under the same external energy input, the reaction intensity of specimens decline as SiC content rises. Owing to the strain rate effect, Al-PTFE-SiC specimens take on different mechanical properties and reaction characteristics in the case of different strain rates.

Reactive material；Al-PTFE-SiC；Quasi-static compression；Mechanical property；Impact sensitivity

1003-1480（2018）02-0009-04

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.003

2017-12-21

吳家祥（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事反應(yīng)材料制備及反應(yīng)機(jī)理研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51673213）。