三元氟基反應(yīng)材料的壓縮力學(xué)性能與毀傷效能研究

黃駿逸，方 向，李裕春，吳家祥，宋佳星

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三元氟基反應(yīng)材料的壓縮力學(xué)性能與毀傷效能研究

黃駿逸，方 向，李裕春，吳家祥，宋佳星

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

為研究氟基反應(yīng)材料的爆炸反應(yīng)過程及對目標(biāo)靶板的毀傷效能，在PTFE/Al的基礎(chǔ)上分別加入15%體積分?jǐn)?shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應(yīng)材料，測試了其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的力學(xué)性能，以及所制備的藥型罩在炸藥驅(qū)動(dòng)下對靶板的穿孔擴(kuò)孔效應(yīng)。研究結(jié)果表明，3種材料均具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且制備成的藥型罩在炸藥的驅(qū)動(dòng)下均能發(fā)生爆炸反應(yīng)，直接貫穿厚度為10mm的鋼板。其中，PTFE/Al/MoO3材料穿孔擴(kuò)孔能力最強(qiáng)，是一種優(yōu)異的毀傷材料。

氟基反應(yīng)材料；藥型罩；力學(xué)性能；毀傷效應(yīng)

反應(yīng)材料又被稱為沖擊引發(fā)的含能材料，具有一定的強(qiáng)度和硬度，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]。聚四氟乙烯/鋁(PTFE /Al)氟基反應(yīng)材料由于其高能量水平、獨(dú)特的能量釋放特性等優(yōu)點(diǎn)，在軍事上有著巨大的應(yīng)用前景[4-5]。近年來，很多學(xué)者嘗試在PTFE/Al的基礎(chǔ)上，加入鎢（W）、鎳（Ni）等金屬或者Fe2O3等金屬氧化物來增加材料的密度、強(qiáng)度，以提升能量釋放水平，并對其毀傷效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。如周杰等[6]開展了PTFE/Al/W反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)密閉容器沖擊釋能試驗(yàn)，測試了反應(yīng)材料在靶后的釋能持續(xù)時(shí)間、沖擊速度以及沖擊反應(yīng)初始壓力。陶忠明等[7-8]對不同的PTFE基反應(yīng)材料進(jìn)行了撞靶實(shí)驗(yàn)，得出由PTFE/Al/Fe2O3反應(yīng)材料制備的藥型罩撞擊靶板時(shí)，對靶板的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)最明顯。在PTFE/Al的基礎(chǔ)上，加入金屬氧化物制備的三元氟基反應(yīng)材料，加工成戰(zhàn)斗部作用于目標(biāo)時(shí)，不僅具有一定的動(dòng)能，還能在沖擊時(shí)引發(fā)Al和氧化物之間的鋁熱反應(yīng)，利用其產(chǎn)生的高溫對目標(biāo)進(jìn)行多重毀傷。本文在PTFE/Al的基礎(chǔ)上，分別加入Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應(yīng)材料，測試了其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的力學(xué)性能，且通過模壓燒結(jié)工藝制備了一批具有一定強(qiáng)度的反應(yīng)材料藥型罩；利用炸藥對其進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)撞靶，同時(shí)對比撞靶試驗(yàn)結(jié)果，探索3種不同氟基反應(yīng)材料對鋼靶的破甲作用過程。研究結(jié)果可為含能藥型罩打擊裝甲目標(biāo)提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及配方

PTFE（25μm，上海三愛富新有限公司），Al（1~ 2μm）、Fe2O3(5μm)、MoO3（5μm）、MnO2（5μm）均來自上海乃歐納米科技有限公司。為便于比較，在PTFE/Al基礎(chǔ)上，分別加入15%體積分?jǐn)?shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備3種氟基反應(yīng)材料，配方如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品及配方

Tab.1 Experimental samples and formulations

1.2 試件的制備

將適量的原材料按照一定配比混合后置于燒杯中，加入適量無水乙醇，攪拌30min，再將攪拌后的材料置于真空烘箱中干燥24h，取出后過篩得到均勻粉末。使用模具和液壓機(jī)將粉末壓制成φ10mm×10mm的圓柱體用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，同時(shí)取適量的反應(yīng)材料粉末壓制成球缺型藥型罩用于穿靶試驗(yàn)，藥型罩口徑為30mm，厚度1.5mm。壓制成的試件需要進(jìn)行燒結(jié)才具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，故將制備的試件置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫和降溫速率均為50℃/h，燒結(jié)溫度360℃，保溫4h，隨爐冷卻后得到成型的反應(yīng)材料試件，如圖1所示。

圖1 反應(yīng)材料試件

穿靶試驗(yàn)中，采用炸藥直接驅(qū)動(dòng)藥型罩對鋼板進(jìn)行毀傷。圖2為反應(yīng)藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及其示意圖。

圖2 藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及示意圖

毀傷元主要由尼龍塑料殼體、反應(yīng)材料藥型罩以及壓裝塑性炸藥組成。主裝藥質(zhì)量統(tǒng)一為15g，并壓裝均勻。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)完成，壓頭行進(jìn)速度6mm/min，對應(yīng)應(yīng)變率為0.01/s，相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)溫度25℃。為觀測氟基反應(yīng)材料藥型罩的毀傷效應(yīng)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，試驗(yàn)所用的目標(biāo)靶板為304不銹鋼板，尺寸為500mm×500mm×10mm，藥型罩與靶板距離為6cm，采用電雷管起爆方式，并用高速攝影記錄反應(yīng)過程。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

反應(yīng)材料的力學(xué)性能會(huì)影響材料對目標(biāo)的毀傷效果。低強(qiáng)度材料制備的藥型罩，在對靶板進(jìn)行撞擊時(shí)會(huì)瞬間破碎，從而影響藥型罩對靶板的穿孔和擴(kuò)孔效應(yīng)[8]。圖4為3種氟基反應(yīng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4中可以看出，3種材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，均經(jīng)歷了線彈性階段、強(qiáng)化階段以及失效階段。

圖4 氟基反應(yīng)材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

3種材料在線彈性階段幾乎表現(xiàn)出相同的性質(zhì)，其彈性模量相近，這是由于彈性變形主要由PTFE基體中較軟的無定型態(tài)部分承擔(dān)，主要表現(xiàn)為無定型態(tài)非晶區(qū)的層間滑移（interlamellar slip），這一過程是可逆的[9]。經(jīng)歷彈性階段后，3種材料在強(qiáng)化階段出現(xiàn)了明顯的分化，3#材料的應(yīng)變硬化模量明顯比1#和2#材料低，表明在相同的應(yīng)力作用下，3#材料發(fā)生的應(yīng)變更大。經(jīng)歷強(qiáng)化階段后，當(dāng)材料達(dá)到其最大強(qiáng)度時(shí)，材料失效，其強(qiáng)度分別為87.7MPa、89.7MPa和72.0MPa。失效時(shí)材料的臨界真實(shí)應(yīng)變分別為1.41、1.39和1.91。1#和2#材料具有相似的力學(xué)性能，而3#材料相比則具有更低的強(qiáng)度，但延展性更好。3種氟基反應(yīng)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的性能參數(shù)如表2所示。

表2 氟基反應(yīng)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的性能參數(shù)

Tab.2 Performance parameters of fluorine-based reaction materials under quasi-static compression

2.2 撞靶試驗(yàn)

點(diǎn)火后，3種氟基反應(yīng)材料藥型罩毀傷元均能發(fā)生劇烈反應(yīng)并有效貫穿靶板，形成孔洞，并伴隨著明亮的火光。高速攝影記錄的3種毀傷元撞靶反應(yīng)過程相似，本文僅給出1#藥型罩毀傷元撞靶的反應(yīng)過程，如圖5所示。從圖5中可以看出，由于炸藥和藥型罩反應(yīng)產(chǎn)生的巨大火球，并不能準(zhǔn)確看出反應(yīng)材料藥型罩爆炸成型的具體形狀，火球持續(xù)時(shí)間大約為80ms。圖6為3種藥型罩毀傷元對靶板的毀傷效果圖。從圖6中可以看出，在靶板的正面撞擊部位均有黑色燒灼痕跡和積碳現(xiàn)象，說明在撞靶瞬間反應(yīng)材料藥型罩在高溫高壓下產(chǎn)生了反應(yīng)。

圖5 1#反應(yīng)材料撞靶反應(yīng)過程

圖6 對靶板的毀傷效果

靶板背面孔洞呈現(xiàn)花瓣式外折，表明氟基反應(yīng)材料藥型罩能產(chǎn)生較好的擴(kuò)孔效應(yīng)，其中2#材料擴(kuò)孔效應(yīng)最好，開孔直徑達(dá)到61mm，而1#、3#藥型罩毀傷元對靶板的穿孔直徑則分別為32mm和42mm。值得注意的是，1#藥型罩毀傷元作用于靶板后，在靶板正面孔洞周圍留下了分散型的凹坑，如圖6（a）所示。經(jīng)過多次試驗(yàn)證明凹坑出現(xiàn)并非偶然，而是1#材料特有的現(xiàn)象，這是由于炸藥作用于1#藥型罩后，Al與Fe2O3之間的鋁熱反應(yīng)生成了高溫金屬熔渣，熔渣高速?zèng)_擊靶板，形成凹坑，而2#和3#藥型罩反應(yīng)后，生成固體殘?jiān)?，故靶板孔洞周圍較為平整。3種藥型罩對靶板的毀傷相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 藥型罩對靶板的毀傷相關(guān)參數(shù)

Tab.3 The related parameters for the damage effect on the steel plates of liners

2.3 反應(yīng)行為分析

本文3種氟基反應(yīng)材料在撞擊靶板的過程中，發(fā) 生了劇烈的氟化反應(yīng)和鋁熱反應(yīng)，主要反應(yīng)有：

4Al+3C2F4→4AlF3+6C （1）

2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3（2）

2Al+MoO3→Mo+Al2O3（3）

4Al+3MnO2→3Mn+2Al2O3（4）

由前文可知，3種材料的強(qiáng)度大小依次為：2#、1#和3#，而藥型罩毀傷元對靶板的開孔直徑大小依次為2#、3#和1#，表明藥型罩材料的強(qiáng)度不是決定其毀傷效果的唯一因素，材料自身的性質(zhì)也會(huì)對其毀傷效果產(chǎn)生很大影響。材料中加入的氧化物種類不同，發(fā)生的鋁熱反應(yīng)不同，產(chǎn)生的能量、熱量、達(dá)到的溫度以及氣體產(chǎn)生量也會(huì)不同。表4列出了3種氧化物與Al發(fā)生鋁熱反應(yīng)時(shí)的相關(guān)性能參數(shù)[10]。

表4 鋁熱反應(yīng)相關(guān)性能參數(shù)

Tab.4 The related performance parameters of thermite reaction

從表4中可以看出，3類鋁熱反應(yīng)均能達(dá)到較高的絕熱溫度，但Al與MnO2的反應(yīng)產(chǎn)物為氣態(tài)，且氣體產(chǎn)生量最多，達(dá)到0.813 6mol/100g，有助于其對靶板進(jìn)行擴(kuò)孔，故雖然3#材料強(qiáng)度比1#材料低，但擴(kuò)孔效應(yīng)較1#材料更為明顯。2#材料不僅強(qiáng)度最高，對應(yīng)的鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的絕熱溫度也最高，達(dá)到3 253K，同時(shí)也具有較高的質(zhì)量釋放熱（4.72kJ/g）。MoO3是一種理想的復(fù)合含能材料氧化物，具有低分解溫度和高熱釋放的優(yōu)點(diǎn)[11]，其在795℃時(shí)便會(huì)升華，有助于鋁熱反應(yīng)的進(jìn)行，因此2#材料穿孔擴(kuò)孔能力最強(qiáng)，是一種優(yōu)異的毀傷材料。

3 結(jié)論

本文在PTFE/Al的基礎(chǔ)上，分別加入15%體積分?jǐn)?shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應(yīng)材料，測試了其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的力學(xué)性能和炸藥驅(qū)動(dòng)下對靶板的毀傷效應(yīng)。研究結(jié)果表明：3種氟基反應(yīng)材料均具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到87.7MPa、89.7MPa和72.0MPa，且制備成的藥型罩在炸藥的驅(qū)動(dòng)下均能發(fā)生爆炸反應(yīng)并釋放出大量能量，直接貫穿厚度為10mm的鋼板，留下孔徑分別為32mm、61mm和42mm的孔洞。PTFE/Al/Fe2O3藥型罩反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生高溫金屬熔渣，熔渣撞擊靶板后會(huì)在孔洞周圍留下分散型凹坑。PTFE/Al/MnO2藥型罩反應(yīng)后產(chǎn)生大量氣體，擴(kuò)孔效應(yīng)明顯。PTFE/Al/ MoO3材料穿孔擴(kuò)孔能力最強(qiáng)，是一種優(yōu)異的毀傷材料。含能材料是當(dāng)今毀傷戰(zhàn)斗部研究的熱點(diǎn)之一，氟基反應(yīng)材料由于高能量水平、獨(dú)特的能量釋放特性受到了廣泛關(guān)注，開展氟基反應(yīng)材料毀傷效應(yīng)研究可為含能藥型罩打擊裝甲目標(biāo)提供一定的參考。

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Study on Compressive Mechanical Properties and Damage Efficiency of Ternary Fluorine-based Reactive Materials

HUANG Jun-yi，F(xiàn)ANG Xiang，LI Yu-chun，WU Jia-xiang，SONG Jia-xing

(Institute of Battlefield Engineering，Army Engineering University，Nanjing，210007）

In order to study the explosive reaction process and the damage performance on target plate of the fluorine-based reaction material, three ternary fluorine-based reaction materials were prepared by adding 15% volume of Fe2O3, MoO3, MnO2to the PTFE/Al. The mechanical properties of the three materials under quasi-static compression were recorded, as well as the perforation effects on the target plate of liners made of these materials driven by explosives. The results show that all three materials have high structural strengths, the prepared liners can all react explosively and penetrate the target plate with thickness of 10mm. Among them, the PTFE/Al/MoO3material has the strongest ability of perforation and reaming, and is an excellent damage material.

Fluorine-based reactive materials；Liner；Mechanical properties；Damage effect

1003-1480（2018）05-0021-04

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.006

2018-04-25

黃駿逸（1990 -），男，在讀博士研究生，主要從事反應(yīng)材料的制備及應(yīng)用研究。

國家自然科學(xué)基金（51673213）。