SHPB加載下PTFE/Al沖擊反應的臨界條件*

烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀,葛 超,田 超,董永香

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

沖擊反應材料是一種在通常情況下呈惰性，但是在高速碰撞或者高應變率加載條件下，會快速而劇烈釋放化學能的廣義含能材料。該材料通常由兩種或多種惰性且相互之間不發(fā)生反應的組分復合而成，具有良好的力學性能。相較于傳統(tǒng)材料，沖擊反應材料能對目標造成動能和化學能的雙重毀傷，可顯著提升對目標的毀傷效果。鋁顆粒增強的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene/Al, PTFE/Al)是一種典型的沖擊反應材料，由于具有高能量水平、獨特的能量釋放特性、適中的力學性能及其他優(yōu)異的理化性能，近年來備受關注。Joshi[1]提出了一種PTFE/Al復合材料的壓制/燒結工藝流程，后被廣泛應用。喬良等[2]、陽世清等[3]、趙鵬鐸等[4]、徐松林等[5]對該材料的制備工藝、靜動態(tài)力學性能及Al含量和粒度對其力學性能的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)該材料具有應變硬化、應變率強化及溫度軟化等特性。王海福等[6]、Zhang等[7]從釋能與撞擊速度關系和Al顆粒增強相特征尺寸的影響、反應破片撞擊起爆及能量輸出特性、終點效應等方面進行了大量的實驗研究。帥俊峰等[8]、謝長友等[9]、辛春亮等[10]則從應用角度，對沖擊反應材料破片對鋼靶的侵徹、柴油油箱的毀傷及在活性藥型罩、聚能裝藥方面的應用進行了實驗研究，顯示了該材料在高效毀傷方面獨特的優(yōu)越性。Ge等[11]及烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]則從微細觀角度，采用有限元方法，對Al顆粒粒徑及分布特征對其力學性能的影響進行了研究。在PTFE/Al復合材料沖擊反應誘發(fā)機理和反應的臨界條件研究方面，Ames等[13]、Lee等[14]和Feng等[15]將該材料的反應歸因于加載過程中的大變形、剪切帶以及碎化，雖然加載過程中材料內(nèi)部會出現(xiàn)局部高溫，但是不足以誘發(fā)反應；而Hunt等[16]認為在加載過程中產(chǎn)生的高應變率和應力會將機械能轉化成熱能，以誘發(fā)材料發(fā)生反應。Mock等[17]、Zhang等[7]均提出碰撞速度或者碰撞壓力作為該材料沖擊反應誘發(fā)的判據(jù)；任會蘭等[18]提出應變率閾值和比能量閾值；Wang等[19]以比能量作為該材料沖擊反應閾值。在前期工作中采用不同材質的SHPB壓桿對PTFE/Al材料進行測試時發(fā)現(xiàn)，在幾乎相同應變率下，鋼桿加載發(fā)生反應時，鋁桿加載的材料并未發(fā)生反應；而采用鋼桿測試時，加載速率必須高于某臨界值材料才會發(fā)生反應。為進一步獲得PTFE/Al材料臨界反應的影響因素及臨界條件，本文中主要通過采用鋼桿、鋁桿和不同尺寸的PTFE/Al試樣，研究不同應力和應變率條件對材料沖擊反應臨界條件的影響特性，并提出PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件。

1 沖擊反應實驗

1.1 材料制備

PTFE/Al復合材料中當PTFE和Al質量分數(shù)分別為73.5%和26.5%時，材料中氧化劑與燃料為零氧平衡配比，一旦引發(fā)反應可持續(xù)進行并釋放最多能量[20]，因此選取該典型配比。制備時采用混合壓制燒結工藝，即首先將PTFE粉和Al粉按照73.5%和26.5%的質量百分比，在真空條件下干法混合24 h?；旌贤戤吅螅牧戏勰┰?0 ℃的溫度下干燥24 h。然后將干燥過的粉體用網(wǎng)篩分散到模具中并用壓力機壓制、保壓成型；再把已成型的塊體放進冷等液壓機中在250 MPa的壓力下加壓20 min；壓制好的材料將被放入管式燒結爐在氬氣氣氛下進行燒結成型。燒結溫度先以50 ℃/h的速率升至295 ℃，在該溫度下保持4 h后，遵循先快后慢的原則降至室溫。其中PTFE平均粒徑為4～6 μm，密度為2.15×103kg/m3；Al平均粒徑約為8 μm，密度為2.7×103kg/m3。

1.2 實驗方案

采用如圖1所示?16 mm的SHPB實驗裝置對不同尺寸的PTFE/Al試樣進行沖擊加載，實驗中鋼桿和鋁桿彈性模量、密度分別為205、72 GPa和8.0×103、2.8×103kg/m3。入射桿、透射桿、吸收桿和子彈長度分別為1 200、1 200、800和300 mm，其中應變片均貼在入射桿和透射桿正中間位置。

實驗中為了更好地觀察沖擊加載過程中試樣動態(tài)響應和誘發(fā)反應過程，采用了高速攝影技術(采樣頻率40 000 s-1)；由于SHPB沖擊過程歷時短暫，實驗時采用閃光燈強光照射，可滿足高速攝影短時拍攝記錄要求。實驗中子彈實際沖擊速度的測量和閃光燈的觸發(fā)通過1個小型天幕靶實現(xiàn)。為測試安全，實驗中采用了帶有透明強化玻璃測試窗的防護箱。

圖1 SHPB沖擊加載實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of SHPB impact loading setup

圖2 PTFE/Al真實應力應變曲線 Fig.2 True stress-strain curves of PTFE/Al

1.3 試樣材料的應力和應變率分析

根據(jù)參考文獻,PTFE/Al復合材料的強度均低于200 MPa，在3種應變率下的真實應力應變曲線如圖2所示。而Mock等[17]、Ge等[21]基于泰勒桿沖擊實驗給出的沖擊反應應力臨界值分別為630和735 MPa；Wang等[19]基于SHPB實驗獲得的反應應力值約為850 MPa。

實驗的高速攝影照片如圖3所示，PTFE/Al試樣并不是在沖擊加載應力達到其自身強度時開始反應，而是繼續(xù)被壓縮失效、破碎、飛散并變得很薄，并最終出現(xiàn)反應，該過程和現(xiàn)象與任會蘭等[18]描述的實驗過程類似。因此，不能用簡單的材料破壞之前的應力來標定其沖擊反應臨界值。

材料失效后所受應力可根據(jù)壓桿與材料作用力和反作用力關系進行計算，如圖4所示，加載過程中入射桿和透射桿所受力F1、F2的表達式[22]分別為：

F1=AE(εi+εr)，F(xiàn)2=AEεt

(1)

式中：A、E為壓桿橫截面和楊氏模量；εi、εt、εr分別代表入射、反射和透射信號。

圖3 SHPB加載下試樣動態(tài)響應過程Fig.3 Dynamic response of the sample under SHPB impact

圖4 SHPB測試部分示意圖Fig.4 Testing section of SHPB

圖5 鋼桿測試系統(tǒng)沖擊下的實驗波形Fig.5 Experimental waveforms under the impact of a steel bar test system

從高速攝影記錄可看出，在整個加載過程中材料不斷地被壓縮并飛散，材料始終充滿入射桿-透射桿界面。圖5所示為與圖6中高速攝影對應的SHPB實驗波形，圖5中紅色虛線對應時刻反射波幅值開始減小，透射波開始突增，此時材料已失效[23]，從圖6中可看出此時(75 μs時刻)材料已被擠壓出桿邊緣但還未出現(xiàn)反應；圖5中紅色線條對應時刻透射波與入射波幅值非常接近，反射波幅值則接近零，說明此刻試樣已被壓縮得非常薄，很接近入射桿-透射桿直接相撞，因此可認為F1、F2近似相等；而在此時高速攝影圖6中也觀察到試樣被壓縮到較薄狀態(tài)并發(fā)生反應的現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，當材料出現(xiàn)反應時刻F1≈F2，因此此時材料所受的應力可近似地表示為：

(2)

式中：σ、ε(Tr)、A為材料反應時刻的應力、透射波幅值和剩余材料橫截面。對于每一發(fā)實驗，根據(jù)透射波幅值ε(Tr)和式(2)，可較直觀地對材料反應時所受的應力進行估算。

從圖5和式(2)中可以看出，SHPB加載過程中出現(xiàn)反應時對應的應力遠大于PTFE/Al復合材料本身的強度(紅色虛線之前部分代表試樣的動態(tài)力學性能[23]，此時透射波幅值很小，根據(jù)二波法[22]可知試樣材料強度較小)。

由于SHPB實驗加載過程短暫，試樣長度較小，應變率可按下式[22]進行近似計算：

(3)

2 沖擊動態(tài)響應分析

對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的進行實驗，結果如表1所示。觀察發(fā)現(xiàn)：在相同應變率條件下，采用鋼質SHPB系統(tǒng)試樣材料會發(fā)生反應，而鋁質SHPB系統(tǒng)下試樣材料不發(fā)生反應，如表1中第1、2組實驗；在鋼質SHPB下只改變應變率，有的反應，有的不反應，如表1中第2、3和4組實驗；而且當應力及應變率同時高于某個臨界值時材料會發(fā)生反應，如表1中第3、4、5和6組實驗。因此，認為應力和應變率均對PTFE/Al沖擊反應誘發(fā)產(chǎn)生影響。下面選取3個典型高速攝影記錄(圖6～8)分析沖擊反應過程，相關實驗參數(shù)如表2所示。

表1 SHPB沖擊加載實驗結果Table 1 Experimental results of SHPB impact loading

表2 SHPB沖擊加載實驗參數(shù)Table 2 Parameters for SHPB impact loading experiment

圖6所示為鋼桿以28 m/s的沖擊速度對?6 mm×4 mm試樣進行沖擊壓縮過程。從圖6中可以看出，PTFE/Al試樣經(jīng)歷了被壓縮變形、破壞粉碎、沖擊反應等階段。0～50 μs為PTFE/Al試樣的壓縮變形階段，從圖5中的對應波形可以看出此為均勻變形過程，滿足SHPB基礎理論假設條件，該段可反映材料的動態(tài)力學性能；50～75 μs為材料繼續(xù)被壓縮破碎飛散過程，表明材料已達到了破壞極限；在100 μs時刻材料開始進入反應階段，125 μs時反應更劇烈。實驗中，材料反應過程伴隨有火光、刺鼻的味道及黑色反應殘余物質。

圖6 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動態(tài)響應過程Fig.6 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar

為研究應力對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的影響，根據(jù)式(2)、(3)將鋼桿換成鋁桿，并以31 m/s的速度對?6 mm×3 mm試樣進行沖擊，試樣在鋁桿沖擊加載下的作用過程如圖7所示。

圖7 PTFE/Al試樣在鋁桿沖擊加載下的動態(tài)響應過程Fig.7 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by aluminum bar

從圖7中可以看出：在鋁桿測試系統(tǒng)沖擊下材料經(jīng)歷變形、破壞、飛散階段，但整個過程中無火光出現(xiàn)；同鋼桿測試系統(tǒng)沖擊情況，75 μs時刻破壞的材料已被擠壓出壓桿邊緣，表明材料已破壞；100 μs時刻之后材料碎片進一步被壓縮飛散卻無反應現(xiàn)象出現(xiàn)。從表2可知，圖7相比于圖6，加載應變率變大、應力變小，而試樣未反應。說明試樣所受應力同時影響PTFE/Al復合材料的沖擊反應。

為了研究應變率對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的影響，根據(jù)式(2)和式(3)在鋼桿系統(tǒng)下以43 m/s的沖擊速度對?8 mm×8 mm試樣進行實驗，圖8為試樣在鋼桿沖擊加載下的作用過程。

從圖8中可以看出，由于試樣厚度較大，在第1個脈寬內(nèi)(約120 μs)壓桿之間尚有較多的材料，此時材料已破壞卻無反應出現(xiàn)；在第2次脈寬內(nèi)(即波在桿中反射一次約需475 μs，大約600 μs時刻進入第2次壓縮)材料破碎飛散并形成了明顯的碎物質，從材料壓縮、入射桿-透射桿將材料壓至很薄到壓桿相互分離的整個過程中均無火光出現(xiàn)。從表2可知，圖8中所示應力狀態(tài)相較于圖6中所示的應力更大、應變率更小，而試樣未反應。說明應變率同時影響PTFE/Al復合材料的沖擊反應。

圖8 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動態(tài)響應過程Fig.8 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar

3 結果與分析

3.1 沖擊反應臨界條件分析

根據(jù)前文的研究思路，通過不同實驗條件對比研究了PTFE/Al復合材料應力和應變率狀態(tài)與其沖擊反應情況。實驗中為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，相同應力和應變率條件下同一發(fā)實驗重復了3次，根據(jù)3次實驗結果，綜合確定該條件下的沖擊響應狀態(tài)，并記為一個數(shù)據(jù)點。實驗統(tǒng)計結果如圖9所示。

圖9 沖擊應力和應變率關系 Fig.9 Relation between impact stress and strain rate

圖9所示為鋁桿和鋼桿對不同尺寸的試樣進行SHPB加載的實驗結果。實驗得到的應力和應變率數(shù)據(jù)點近似呈線性關系，如圖9中虛線所示。沿著實線L1的數(shù)據(jù)點體現(xiàn)了在應力保持恒定的情況下，應變率對沖擊反應的影響：當應力大于其臨界值時，可以看到當應變率大于某一值時才能發(fā)生反應；而且根據(jù)高速攝影觀察，從左到右反應出現(xiàn)的火光明亮度更強；說明應變率是決定該材料沖擊反應的重要因素。而沿著實線L2的數(shù)據(jù)點體現(xiàn)了在應變率保持恒定的情況下，應力對沖擊反應的影響：當應變率大于其臨界值時，應力大于某一值時才能發(fā)生反應，而且從下到上出現(xiàn)的火光明亮度更強，說明應力對該材料沖擊反應產(chǎn)生影響。同時在圖9中，可以看到一個由反應的和不反應的數(shù)據(jù)點組成的混合區(qū)，在這混合區(qū)中，反應是概率出現(xiàn)的。因此，混合區(qū)的出現(xiàn)預示著臨界應力和應變率的出現(xiàn)。理論上在圖9中的每條黑色虛線上都應該出現(xiàn)混合區(qū)，但由于實驗數(shù)據(jù)點數(shù)量的限制，只能在數(shù)據(jù)點較多的虛線上觀察到混合區(qū)。

沖擊壓縮過程中材料將吸收了外界機械功，從上述實驗結果和反應臨界條件可知，滿足應力條件σ>σc，從其量綱看即滿足含能材料臨界壓力或單位體積的臨界能量判據(jù)(單位為J/m3)。同時滿足應力、應變率條件，說明比能量的輸入速率[21](即應力和應變率相關聯(lián)，單位為J/m3·s-1)對該材料沖擊反應誘發(fā)也起重要的作用。因此，當該材料出現(xiàn)反應時，累積的比能量需大于臨界比能量，并且此時的比能量輸入速率應大于臨界速率。PTFE/Al復合材料上述臨界條件跟沖擊反應材料“只有在高速碰撞或者高應變率加載條件下發(fā)生反應”的特性吻合。

在微細觀層面，Ge等[11]和烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]對PTFE/Al復合材料微細觀數(shù)值模擬結果中觀察到了與加載方向成45°的剪切應力聚集區(qū)，如圖10(a)所示。另外Herbold等[24]對PTFE/Al/W材料的落錘沖擊模擬中也觀察到類似的現(xiàn)象，壓縮過程中裂紋沿剪切應力聚集區(qū)擴展，如圖10(b)所示。

通過上述PTFE/Al復合材料沖擊反應實驗現(xiàn)象和微細觀數(shù)值模擬結果初步分析，沖擊加載下PTFE/Al材料的應力、應變及達到的應變率等直接影響材料破碎及剪切作用效果，引起內(nèi)部細觀結構的變化，形成顆粒與基體界面的脫落、裂紋擴展，從能量角度可理解為與沖擊載荷作用下應力和應變率關聯(lián)的高速率能量輸入。

圖10 壓縮過程中PTFE/Al細觀結構應力分布Fig.10 Stress distribution of PTFE/Al under compression at microscale

3.2 沖擊反應閾值預測

圖11 PTFE/Al在SHPB加載下反應預測曲線的擬合 Fig.11 Curves fitting for predicting the impact initiation of PTFE/Al samples by SHPB

(4)

(5)

4 結 論

本文中通過SHPB加載和高速攝影技術，分別采用鋼桿和鋁桿對不同尺寸的PTFE/Al試樣進行了沖擊測試，研究了加載應力和應變率關聯(lián)對沖擊反應臨界條件的影響。基于本文研究條件下實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，可以得到以下主要結論：

SHPB加載下PTFE/Al復合材料的沖擊響應過程主要包括材料變形、破碎、反應等階段；結合高速攝影與SHPB測試波形，確定材料出現(xiàn)反應是在試樣加載后的破碎階段，并給出了該階段材料臨界反應時應力的近似計算方法；

基于實驗擬合獲得了PTFE/Al復合材料沖擊反應閾值預測曲線，只有當實驗數(shù)據(jù)點位于該閾值曲線及其上方時，材料才會被誘發(fā)反應。