落錘加載下反應(yīng)材料的反應(yīng)性能

陳 鵬，屈可朋，陳 榮，袁寶慧

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.國防科技大學，湖南 長沙410073)

引 言

反應(yīng)材料又稱“沖擊引發(fā)反應(yīng)材料”(Impact-initiated Reactive Material)，通常由金屬或金屬與非金屬混合物粉末材料按一定工藝方法壓縮、燒結(jié)而制成的亞穩(wěn)態(tài)復合含能材料，最早由Hugh E[1]在專利中提出由鋁熱劑或金屬與金屬氧化物組成的反應(yīng)破片。此類材料具有一定的強度和硬度，在靜態(tài)加載下，足夠鈍感不發(fā)生反應(yīng)，然而在沖擊加載下，材料可以快速發(fā)生化學反應(yīng)釋放能量。

反應(yīng)材料制成的反應(yīng)破片在沖擊引發(fā)油箱和引爆屏蔽裝藥方面的性能都高于普通的惰性金屬破片[2-4]，同時，反應(yīng)材料的熱值較高，單位質(zhì)量反應(yīng)材料的能量約為TNT炸藥的3.5倍[5]，因此，由反應(yīng)破片作為終點毀傷元來提高毀傷效能具有較大的應(yīng)用前景。

反應(yīng)材料在加載及與目標作用過程中是一個復雜的高應(yīng)變率動載過程，研究反應(yīng)材料在加載過程及與目標作用過程的反應(yīng)特性對于改進提高反應(yīng)材料性能具有重要的意義。目前，國內(nèi)外關(guān)于反應(yīng)材料在外界加載下的反應(yīng)性能研究主要分為分離式霍普金森桿(SHPB)和落錘加載[6-10]，分離式霍普金森壓桿(SHPB)是研究材料在中高應(yīng)變率(102～104s-1)下力學性能的主要技術(shù)手段[11-12]，而落錘主要是研究材料在低應(yīng)變率長脈沖加載的主要技術(shù)手段。反應(yīng)材料與目標作用過程的反應(yīng)特性研究主要分為材料與目標作用過程中的沖擊釋能特性和對目標的毀傷效能[13-17]。

關(guān)于反應(yīng)材料在落錘中低應(yīng)變率加載下的研究，主要集中在材料是否發(fā)生反應(yīng)及發(fā)生反應(yīng)的特性落高，而關(guān)于其加載過程中力學性能變化及發(fā)生反應(yīng)吸收的能量研究較少。本研究使用落錘加載反應(yīng)材料，研究材料在加載過程中的力學性能變化和加載過程中的反應(yīng)特性，分析材料發(fā)生反應(yīng)的閾值，得到材料發(fā)生反應(yīng)的能量吸收，并通過數(shù)值模擬計算分析材料在加載過程中的力學性能變化。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

反應(yīng)材料的主要成分是聚四氟乙烯/鋁/鎢(PTFE/Al/W),其中質(zhì)量分數(shù)分別為：聚四氟乙烯28%，鋁10%,鎢62%。試樣尺寸為Φ8mm×3mm，密度為4.79g/cm3。實驗使用落錘質(zhì)量為10kg。

KD6009動態(tài)應(yīng)變儀，國防科技大學自研設(shè)備； Tektronic DPO4054 數(shù)字示波器，美國泰克公司，采樣率為10M/s；50Ω錳銅應(yīng)力傳感器，北京理工大學。

1.2 實驗原理

本研究采用的落錘加載實驗裝置如圖1所示。實驗原理是通過改變落錘的落高來改變落錘的撞擊速度，實現(xiàn)不同加載強度；試樣放在落錘的正下方，通過放置在試樣下面的錳銅應(yīng)力傳感器測試加載過程中的應(yīng)力變化；高速相機用來記錄加載過程中試樣發(fā)生的變化和反應(yīng)過程，同時拍攝落錘上的圖標移動過程，通過數(shù)字圖像相關(guān)處理(DIC, Digital Image Correlation)得到加載前后落錘速度的變化。

1.3 力學性能測試

為了測試加載過程中試樣底端應(yīng)力—時間變化曲線，將錳銅應(yīng)力傳感器安裝在試樣下端，如圖1(b)所示，錳銅應(yīng)力傳感器使用惠斯通電橋進行測量，得到錳銅應(yīng)力傳感器電阻ΔR/R的變化，錳銅應(yīng)力傳感器應(yīng)力與阻值變化的標定公式如下：

σ=(0.0014±0.005)+(51.4697±0.2773)(ΔR/R) (0～1.5GPa)

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 落錘加載力學性能分析

實驗通過改變落錘高度得到不同的加載速度，分別對材料進行了0.60～1.50m落高下7次獨立的加載試驗，通過DIC處理得到了材料在不同落高下的撞擊速度和反彈速度，直接加載試樣的試驗結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著落錘下落的高度降低，撞擊速度相應(yīng)減小，同樣反彈速度也會減小。同時，由不同試驗的材料是否發(fā)生反應(yīng)可以得到材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高，在直接加載后，材料在落高0.95m未發(fā)生反應(yīng)，在1.00m高度時發(fā)生了反應(yīng)，通過高速攝影拍攝看到有火光產(chǎn)生，還可以聽到有爆炸聲響，所以可以判斷材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高約為0.98m(反應(yīng)和未反應(yīng)落高的平均值)。

將錳銅應(yīng)力傳感器放在試樣底端測試加載過程中試樣底端的應(yīng)力(σ)變化過程，得到試樣在不同下落高度下的應(yīng)力—時間曲線如圖2所示。

圖2 落錘加載材料應(yīng)力—時間曲線Fig.2 Stress—time curves of drop-weight loading material

從圖2可以看出，隨著落錘下落高度的增加，應(yīng)力隨時間變化越快，下落高度較低時，材料應(yīng)力隨時間緩慢增加。當應(yīng)力達到一定值時，由于放置在試樣底端的錳銅應(yīng)力傳感器在加載時與試樣底面接觸存在著剪切作用而使錳銅應(yīng)力傳感器破壞。在落錘系統(tǒng)的加載下，都處于毫秒時間量級。

2.2 落錘加載反應(yīng)性能分析

反應(yīng)材料無約束情況下落錘加載發(fā)生反應(yīng)，隨著高度降低，材料由反應(yīng)向未反應(yīng)過渡。落錘從1.00m高度下落，試樣發(fā)生反應(yīng)，從高速攝影照片看到有較明顯的火光產(chǎn)生,在實驗時可以聽到較明顯的爆炸聲響和回收的試樣有燒焦的跡象。

高速攝影記錄的落錘從1.00m高度下落時反應(yīng)材料在不同時刻的照片如圖3所示，相機幅頻為30000fps，分辨率為256×384pixel。從圖3可以看出，加載過程中，材料被壓縮破壞向外噴射，在1000μs時，可以看到有反應(yīng)的火光點產(chǎn)生，同時有較為猛烈的聲響。在1100μs時，可以看到反應(yīng)后有煙霧產(chǎn)生，從回收的試樣可以看到，試樣有燒焦熔化的現(xiàn)象。

圖3 1.00m落高下落錘加載材料的高速攝影照片F(xiàn)ig.3 The high-speed photography pictures of drop weight loading material from 1.00m drop height

將高速攝影照片和發(fā)生反應(yīng)的應(yīng)力—時間曲線(圖2)進行對比發(fā)現(xiàn)，材料在1000μs時發(fā)生了反應(yīng)，從圖2可以看出，此時對應(yīng)的應(yīng)力為281MPa，則可以得到反應(yīng)材料在無約束情況下使用10kg落錘加載發(fā)生反應(yīng)的臨界應(yīng)力為281MPa。

2.3 落錘加載反應(yīng)材料點火能量分析

反應(yīng)材料在撞擊加載過程中，經(jīng)歷了較大的塑性變形、壓碎噴射等過程，最后發(fā)生反應(yīng)。加載過程中，落錘下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為落錘的動能，過程示意圖如圖4所示，落錘撞擊試樣速度為v1，反彈速度為v2，在此過程中動能損失為ΔE，研究表明，一部分損失的動能轉(zhuǎn)化為試樣的塑性變形能ΔE1，引起材料產(chǎn)生一定的溫升，當材料溫升達到一定程度時，材料會發(fā)生反應(yīng)；另外一部分損失的動能ΔE2被落錘系統(tǒng)的底座吸收。

圖4 落錘加載過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of drop-weight loading process

落錘加載中動能的損失ΔE為：

(2)

式中：m為落錘質(zhì)量，本實驗所用落錘的質(zhì)量為10kg。

ΔE=ΔE1+ΔE2

(3)

單位質(zhì)量試樣吸收的能量為：

(4)

式中：m1為試樣材料的質(zhì)量。

對于加載過程中，平臺底座吸收的能量通過落錘直接撞擊底座平臺得到，在未加試樣的情況下，通過高速攝影拍攝落錘撞擊過程，DIC處理撞擊平臺的速度和反彈的速度見表2。由5個不同高度下落的落錘撞擊和反彈速度，計算得到直接撞擊引起的平均動能損失為47.2J。

表2 落錘撞擊底座平臺速度變化Table 2 The speed changes of drop-weight impact platform

通過直接撞擊研究底座平臺吸收的能量ΔE2為47.2J,在整個加載過程中的總能量損失ΔE可以由表1的動能損失得到，所以在整個加載過程中，試樣被壓縮直至發(fā)生反應(yīng)所吸收的能量ΔE1為總的動能損失和底座平臺吸收的能量差值，見表3。

表3 落錘加載過程中能量的變化Table 3 Changes in energy during drop-weight loading

由表3可見，試樣吸收的能量隨著落錘下落高度的增加而增大。

落錘加載過程中發(fā)生反應(yīng)和未發(fā)生反應(yīng)材料的單位質(zhì)量試樣吸收的能量圖如圖5所示，橫軸為落錘加載單位質(zhì)量試樣吸收的能量，縱軸為0時代表試樣未發(fā)生反應(yīng)，為1時代表試樣發(fā)生反應(yīng)。

從圖5可知，試樣發(fā)生反應(yīng)的臨界輸入能量在虛線框內(nèi)，取虛線框內(nèi)發(fā)生反應(yīng)和未發(fā)生反應(yīng)的平均吸收能量值約為40.9J/g。因此可以認為，試樣在落錘直接撞擊加載發(fā)生反應(yīng)的臨界能量為40.9J/g。

圖5 落錘加載材料發(fā)生反應(yīng)的能量Fig.5 The energy of occurring material reaction under drop-weight loading

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 有限元模型的建立

本研究主要使用Hypermesh建模軟件建立落錘和反應(yīng)材料的全模型，見圖6。

圖6 落錘整體視圖及試樣和空氣網(wǎng)格局部放大圖Fig.6 Overall view of drop-weight and enlargement view of sample and air grid

如圖6(a)所示，落錘質(zhì)量為10kg，試樣大小為Φ8mm×3mm,模型使用實際尺寸大小，為了減少計算量，落錘和底座網(wǎng)格使用過渡網(wǎng)格，離試樣越近，網(wǎng)格越密，離試樣越遠，網(wǎng)格越少。試樣和空氣網(wǎng)格的局部放大圖如圖6(b)所示，試樣采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.5mm，計算使用流固耦合算法。

在計算時，試樣使用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，具體的材料參數(shù)如表4所示[18]。計算時，在落錘上加載一個初速度，加載過程中，試樣發(fā)生較大的變形，落錘速度隨著加載的進行不斷減小，當壓縮到一定程度時，落錘發(fā)生反彈。

表4 JC模型材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果的對比

落錘在1.4m落高下測得的試樣底端應(yīng)力—時間曲線和使用LS-DYNA數(shù)值模擬計算結(jié)果進行的對比如圖7所示。

圖7 落錘加載實驗和計算應(yīng)力—時間曲線Fig.7 Stress—time curves obtained by drop—weight loading experiment and calculation

從圖7可以看到，實驗和數(shù)值模擬得到的應(yīng)力—時間曲線都隨著時間的增大而增大，在250μs之前的實驗應(yīng)力—時間曲線和數(shù)值模擬計算得到的應(yīng)力-時間曲線吻合較好，在250～500μs之間，實驗測得的應(yīng)力值大于數(shù)值模擬計算值。分析原因是由于數(shù)值模擬計算未考慮底部的摩擦力作用，在實際的試驗過程中，由于試樣底部的摩擦力作用，對測得的應(yīng)力產(chǎn)生了較大影響，所以，所得應(yīng)力比計算值大。在500μs之后，計算所得到的試樣底部應(yīng)力大于實際試驗測得的應(yīng)力，原因可能是由于實際加載過程中，材料發(fā)生了較大的變形，向外噴射流動，導致實際測得的應(yīng)力偏小，小于數(shù)值模擬中的應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)落錘加載過程中，試樣是否發(fā)生反應(yīng)受落錘的落高影響較大，實驗得到了材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高為0.98m，反應(yīng)材料在無約束情況下使用10kg落錘加載發(fā)生反應(yīng)的臨界應(yīng)力為281MPa。

(2)使用落錘加載試樣在無約束情況下，試樣材料發(fā)生反應(yīng)的臨界吸收能量為40.9J/g。

(3)使用有限元軟件模擬計算材料發(fā)生反應(yīng)前的力學變化，得到的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，進一步驗證了前期擬合的Johnson-Cook模型的正確性。