Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)與毀傷性能研究

吳家祥，方 向，李裕春，王懷璽，任俊凱，張 軍

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Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)與毀傷性能研究

吳家祥，方 向，李裕春，王懷璽，任俊凱，張 軍

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

為研究Ni作為添加物對(duì)Al-PTFE反應(yīng)材料力學(xué)性能及反應(yīng)特性的影響，采用模壓燒結(jié)法制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和毀傷打靶實(shí)驗(yàn)，對(duì)Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)與毀傷性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著Ni含量的增加，材料由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，材料?qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)Ni的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，材料的應(yīng)變硬化模量和壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa。毀傷打靶實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于3mm鋼板，Al-PTFE的毀傷效果最好；對(duì)于10mm鋼板，Ni體積分?jǐn)?shù)為10%的Al-Ni-PTFE的毀傷效果最好。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的毀傷目標(biāo)，可針對(duì)性設(shè)計(jì)不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

反應(yīng)材料；Al-Ni-PTFE；力學(xué)響應(yīng)；藥型罩；毀傷效果

鋁-聚四氟乙烯(Al-PTFE)作為一種典型的反應(yīng)材料[1-2]，具有能量密度高、機(jī)械性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)、較易制備等特性，可將其以含能藥型罩和反應(yīng)破片的形式制成具有撞擊-反應(yīng)二重作用的高能戰(zhàn)斗部，在依靠自身動(dòng)能侵徹目標(biāo)的同時(shí)，引發(fā)爆炸、燃燒等化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的二次毀傷[3]。

Al-PTFE反應(yīng)材料的強(qiáng)度是獲得較好應(yīng)用的關(guān)鍵，為了提高材料的強(qiáng)度和密度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了Al-PTFE在不同影響因素下的工程應(yīng)變及加入不同添加劑后的性能變化。馮彬等[4-5]發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，經(jīng)過特殊熱處理的Al-PTFE 能夠發(fā)生劇烈反應(yīng)；吳家祥等[6]研究了Al粒徑對(duì)Al-PTFE力學(xué)性能及反應(yīng)特性的影響；Cai等[7]通過對(duì)PTFE-Al-W材料的力學(xué)性能開展研究，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]研究了粒徑對(duì)PTFE-Al-W材料的強(qiáng)度、失效和沖擊性能的影響；于鐘深等[9]利用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在Al-PTFE中添加TiH2顆?？梢燥@著增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度。

之前的研究工作主要集中在Al-PTFE加入W顆粒后的性能變化上，雖然W具有極高的密度（19.3 g/cm3），但由于W不參與反應(yīng)，添加至Al-PTFE中僅作為質(zhì)量的載體，在材料體積分?jǐn)?shù)不變條件下必然會(huì)降低材料的能量密度。Ni具有較高的密度（8.9g/cm3），并且Eakins等[10]發(fā)現(xiàn)，Ni和Al在沖擊加載下能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ni-Al金屬間化合物，因此，在Al-PTFE中加入Ni顆粒，在提高材料強(qiáng)度和密度的同時(shí)，必定也會(huì)提高材料的能量密度，增強(qiáng)材料的毀傷效果。本文通過模壓燒結(jié)工藝，制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和毀傷打靶實(shí)驗(yàn)，對(duì)Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)與毀傷性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試件制備

材料：PTFE（平均粒徑25μm，上海三愛富新材料股份有限公司）；Al（平均粒徑1~2μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司）；Ni（平均粒徑2μm，上海乃歐納米科技有限公司）。由于組分之間能夠互相反應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)配方時(shí)，以Al與PTFE的化學(xué)平衡配比為基礎(chǔ)，加入一定量Ni的同時(shí)，減少相應(yīng)量的PTFE，利用先反應(yīng)的Al-PTFE引發(fā)Ni和Al金屬間化合反應(yīng)，這樣既使金屬添加劑參與了反應(yīng)，同時(shí)也提高了活性材料的能量釋放速率。實(shí)驗(yàn)樣品及配方如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品及配方 (%)

Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

將稱取好的原料置于適量乙醇溶液中，機(jī)械攪拌20min后放至真空烘箱中干燥烘干，將干燥后的粉末材料置于壓制模具內(nèi)，使用FLS30T液壓機(jī)壓制得到用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)Φ10mm×10mm的圓柱形試件；同時(shí)，再稱取適量原料壓制用于打靶實(shí)驗(yàn)的球缺型藥型罩，藥型罩口徑30mm，厚度2mm。為使試件具有一定強(qiáng)度，需將其置于真空爐中燒結(jié)，設(shè)置升溫速率90℃·h-1，燒結(jié)溫度360℃，燒結(jié)時(shí)間6h，降溫速率50℃·h-1。打靶實(shí)驗(yàn)中，利用電雷管引爆主裝藥，驅(qū)動(dòng)藥型罩撞擊鋼板。圖1為反應(yīng)藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及組件實(shí)物圖。毀傷元主要由尼龍塑料殼體、反應(yīng)材料藥型罩、緩沖層以及主裝藥組成。主裝藥為壓裝均勻的C4塑膠炸藥，質(zhì)量15g。

圖1 反應(yīng)藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及組件實(shí)物圖

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)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，壓頭行進(jìn)速度為6mm·min-1，對(duì)應(yīng)應(yīng)變率為10-2s-1，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)，并記錄的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖2為毀傷打靶實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖。

實(shí)驗(yàn)所用的目標(biāo)靶板為304不銹鋼板，厚度3mm和10mm，藥型罩與靶板距離為6cm，使用高速攝影儀全程記錄實(shí)驗(yàn)過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

圖3為6類試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，表2為6類試件的準(zhǔn)靜壓力學(xué)性能參數(shù)。

表2 不同配比的Al-Ni-PTFE試件準(zhǔn)靜壓力學(xué)性能參數(shù)

Tab.2 Mechanical property parameters of Al-Ni-PTFE specimens with different ratios under quasi-static compression

由圖3、表2可以看出，隨著Ni含量的增加，材料的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)Ni的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，材料的應(yīng)變硬化模量和壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa，當(dāng)Ni的體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，材料在壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形和塑性變形，并且在屈服后發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象；當(dāng)Ni的體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，材料達(dá)到屈服強(qiáng)度后直接失效。此外，材料的失效應(yīng)變隨Ni含量的增大單調(diào)減小，不加Ni時(shí)達(dá)到最大值2.04，表明隨Ni含量的增大，材料由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈浴?/p>

2.2 毀傷打靶實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)火后，6類藥型罩在主裝藥的爆炸驅(qū)動(dòng)下均能有效貫穿3mm的鋼板。因6類藥型罩撞擊鋼板過程相似，圖4給出了高速攝影記錄的3#藥型罩撞擊鋼板的反應(yīng)過程。由圖4可以看出，藥型罩撞擊鋼板后，在其后方出現(xiàn)了明顯的反應(yīng)區(qū)，這一方面說明藥型罩具備足夠的強(qiáng)度擊穿鋼板，另一方面說明藥型罩在爆炸加載作用下未發(fā)生反應(yīng)，而是在擊穿鋼板后發(fā)生反應(yīng)，這一性能表明該材料具備較高的軍事應(yīng)用價(jià)值。藥型罩撞擊鋼板后發(fā)生的反應(yīng)主要有：

表3為6類藥型罩撞擊3mm鋼板后的毀傷效果，圖5對(duì)比了1#和3#藥型罩對(duì)3mm鋼板的毀傷效果圖。

圖5 1#藥型罩和3#藥型罩對(duì)3mm鋼板的毀傷效果圖

表3 6類藥型罩撞擊3mm鋼板后毀傷效果

Tab.3 Damage effect of six kinds of liners impacting on 3mm steel plate

由圖5可以看出，藥型罩擊穿鋼板后背面出現(xiàn)花瓣式外折，表明該類型的反應(yīng)材料藥型罩具備較好的擴(kuò)孔效應(yīng)，表3中6#藥型罩毀傷效果最弱，貫穿孔徑最小，僅為1.7cm，而1#藥型罩即不添加Ni的Al- PTFE反應(yīng)材料毀傷效果最好，貫穿孔徑最大，可達(dá)4.9cm，說明該藥型罩擊穿鋼板時(shí)有更多的活性碎片發(fā)生反應(yīng)釋放出能量。從該組實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著Ni含量的增大，材料的毀傷效果隨之減弱，結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)性能分析，可分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋簩?duì)于Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料，雖然其強(qiáng)度高于Al-PTFE，但Ni和Al反應(yīng)所需點(diǎn)火能量明顯高于Al和PTFE，導(dǎo)致Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的感度低于Al-PTFE的感度，當(dāng)3#藥型罩撞擊鋼板時(shí)，由于鋼板厚度較薄提前被擊穿，撞擊能量無法引發(fā)Ni和Al反應(yīng)，致使參與反應(yīng)的活性破片減少，釋放出的能量也隨之減少，因此擴(kuò)孔效果不如1#藥型罩。為驗(yàn)證這一結(jié)論，另設(shè)計(jì)一對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓6類藥型罩撞擊厚度為10mm的鋼板。表4為6類藥型罩撞擊10mm鋼板后的毀傷效果，可以看出，6類藥型罩中，僅有3#藥型罩可擊穿10mm的鋼板，孔徑為1.5cm，圖6即為3#藥型罩對(duì)10mm鋼板的毀傷效果圖。分析該對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，由于3#藥型罩的強(qiáng)度最高，可以擊穿具有較大強(qiáng)度的10mm鋼板，撞擊能量足以激發(fā)Ni和Al發(fā)生反應(yīng)，而其余5類藥型罩因強(qiáng)度較低，不能擊穿鋼板。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的毀傷目標(biāo)，可針對(duì)性設(shè)計(jì)不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

表4 6類藥型罩撞擊10mm鋼板后毀傷效果

Tab.4 Damage effect of six kinds of liners impacting on 10mm steel plate

圖6 3#藥型罩對(duì)10mm鋼板的毀傷效果圖

3 結(jié)論

本文通過模壓燒結(jié)工藝，制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和毀傷打靶實(shí)驗(yàn)，對(duì)Al-Ni-PTFE反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)與毀傷性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）在Al-PTFE中加入Ni顆粒會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。隨著Ni含量的增加，材料由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕牧蠌?qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)Ni的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，材料的應(yīng)變硬化模量和壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa。（2）對(duì)于3mm鋼板，材料的毀傷效果隨Ni含量的增大而減弱，Al-PTFE的毀傷效果最好，貫穿孔徑可達(dá)4.9cm；對(duì)于10mm鋼板，Ni體積分?jǐn)?shù)為10%的Al-Ni-PTFE的毀傷效果最好。（3）在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的毀傷目標(biāo)，可針對(duì)性設(shè)計(jì)不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

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Study on the Quasi-static Compression Mechanical Response and Damage Performance of Al-Ni-PTFE Reactive Materials

WU Jia-xiang, FANG Xiang, LI Yu-chun, WANG Huai-xi, REN Jun-kai, ZHANG Jun

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

To investigate the effect of Ni as additive on the mechanical properties and reaction characteristics of Al-PTFE reactive materials, Al-Ni-PTFE specimens with different equivalence ratio were prepared by mold sintering method. The quasi-static compression test and damage shooting test were carried out, to study the quasi-static compression mechanical response and damage performance of Al-Ni-PTFE reactive materials. The results show that with the increase of Ni content, the material changes from ductility to brittleness, and the strength of Al-Ni-PTFE specimens increase firstly and then decrease. When the volume fraction of Ni is 10%, the strain hardening modulus and compressive strength of the material reach the maximum, which are 51.35 MPa and 111.41 MPa, respectively. In the damage shooting test, Al-PTFE has the best damage effect for 3mm steel plate, and Al-Ni-PTFE with Ni volume fraction of 10% has the best damage effect for 10mm steel plate. In practical applications, different ratios of Al-Ni-PTFE damage elements can be designed for different damage targets.

Reactive material；Al-Ni-PTFE；Mechanical response；Liner；Damage effect

1003-1480（2019）01-0034-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.009

2018-08-21

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）。