梯度壓力分布活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮特性

耿寶群， 鄭元楓， 肖艷文， 余慶波， 葛超， 郭煥果， 王海福

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100072)

功能梯度材料是在特定方向上，材料特性隨空間分布發(fā)生變化的一種復(fù)合材料[1]. 通過(guò)設(shè)計(jì)材料分布及微觀結(jié)構(gòu)，材料特性，如力學(xué)特性，熱效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)定向優(yōu)化[2],是高速碰撞領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一[3-4].

活性材料是一種聚合物基高鈍感、高含能量的含能材料[5]. 彈道碰撞實(shí)驗(yàn)中，活性材料破片可以有效貫穿靶板，在撞擊載荷作用下材料發(fā)生塑性變形并激活，一定弛豫時(shí)間內(nèi)碎片云狀的活性剩余侵徹體劇烈反應(yīng)，在在靶后形成反應(yīng)區(qū)[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的動(dòng)能和化學(xué)能聯(lián)合高效毀傷，被認(rèn)為是殺傷戰(zhàn)斗部中惰性金屬的潛在替換材料.

通過(guò)改變材料成型過(guò)程，均一的活性材料的毀傷能力還有極大提升空間[7]. 現(xiàn)階段材料工藝研究集中在模制壓力，燒結(jié)溫度等因素對(duì)均一活性材料的力學(xué)特性及沖擊響應(yīng)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-9]. 對(duì)于梯度壓力分布活性材料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析，結(jié)論性研究成果未見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表.

在本文中，采用梯度壓力成型的方法制備了一種3階梯度壓力分布活性材料，并對(duì)其準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性及失效行為進(jìn)行研究，為活性材料功能梯度化設(shè)計(jì)提供有益參考.

1 材料制備

實(shí)驗(yàn)用PTFE粉和Al粉以零氧平衡配比(PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%/Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.5%)混合制備初始粉體，其中Al粉顆粒(FLPA 630型)平均粒徑尺寸為325 μm. 兩種粉體放置于60 ℃真空環(huán)境中烘干2 h后，用攪拌機(jī)干法混合2 h，得到初始粉體.

圖1為活性材料制備流程. 首先將已稱重的初始粉體填裝到成型模具中，并以P1模制壓力將粉體冷壓成型，得到第一層壓實(shí)成型粉體. 隨后第二次向模具中填入等質(zhì)量的粉體冷壓成型，模制壓力為P2. 同理以P3模制壓力將最后一批等質(zhì)量粉體成型. 退模得到3階功能梯度PTFE/Al活性材料. 可通過(guò)增加成型次數(shù)將功能梯度活性材料階數(shù)提高.

圖1 梯度壓力分布活性材料制備流程示意圖

實(shí)驗(yàn)中，模制壓力選擇范圍為10,30和50 MPa. 模制壓力相等時(shí)為零梯度，模制壓力遞減時(shí)為逆梯度，遞增時(shí)為順梯度[10]. 本實(shí)驗(yàn)中不考慮耦合梯度壓力，僅考慮單一趨勢(shì)梯度壓力. 成型實(shí)驗(yàn)中用活性材料粉體在模制壓力下保壓3 min卸載.

冷壓梯度壓力分布活性材料試樣在室溫環(huán)境下放置24 h. 并將部分試樣在惰性氣體環(huán)境下高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)試樣對(duì)應(yīng)高溫?zé)Y(jié)溫度循環(huán)過(guò)程如圖2所示. 燒結(jié)初始加熱階段，在真空環(huán)境下，0.5 h內(nèi)將試樣從室溫加熱至200 ℃，隨后2 h加熱到燒結(jié)溫度360 ℃，并在此溫度下燒結(jié)3 h后停止加熱，活性材料試樣在4.5 h后冷卻至室溫，活性材料試樣照片如圖3所示.

圖2 燒結(jié)循環(huán)溫度曲線

實(shí)驗(yàn)中材料編號(hào)及對(duì)應(yīng)模制壓力及梯度壓力如表1所示. 10，30和50 MPa為零梯度壓力分布活性材料試樣記分別為A1、B1和C1. 高溫?zé)Y(jié)后的A1、B1和C1試樣記為A2、B2和C2.

順梯度壓力分布活性材料試樣記為D1，逆梯度壓力分布試樣記為D3. 高溫?zé)Y(jié)后的D1和D3試樣分別記為D2和D4.

將10 MPa模制壓力單次成形的均一活性材料記為A3，同理30 MPa和50 MPa的均一活性材料記為B3和C3. A4、B4和C4為高溫?zé)Y(jié)后的A3、B3和C3試樣.

2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，在常溫下對(duì)梯度壓力分布活性材料試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn). 將梯度壓力分布活性材料首壓實(shí)層與下壓盤(pán)接觸，末壓實(shí)層與上壓盤(pán)接觸，如圖4所示. 以10-3s-1恒定應(yīng)變率加載實(shí)驗(yàn)試樣，每種試樣進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn). 材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表述為

εT=ln(1+H/X)

(1)

σT=(F/D)ln(1+H/X)

(2)

式中：σT和εT為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中活性材料的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變；F和X分別為材料試驗(yàn)機(jī)在壓縮過(guò)程中記錄的壓力及位移數(shù)據(jù)；D為試樣首壓實(shí)層，中間壓實(shí)層和末壓實(shí)層初始直徑平均值；H為試樣高度.

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在梯度壓力分布活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中，隨著真實(shí)應(yīng)變的增加，真實(shí)應(yīng)力均出現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)，即活性材料受壓后均出現(xiàn)壓縮失效，如圖5所示. 可以看出，冷壓和冷壓燒結(jié)的零梯度壓力分布試樣準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)整體上吻合，略高于同模制壓力的均一活性材料.

從圖5(a)知，冷壓試樣經(jīng)歷彈性階段，短暫的彈塑性階段后失效[11]. A1、B1、C1試樣失效應(yīng)力和失效應(yīng)變依次增加，說(shuō)明隨著模制壓力提高，試樣增強(qiáng)增韌.

圖5 零梯度壓力分布活性材料和均一活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

從圖5(b)知，冷壓燒結(jié)試樣表現(xiàn)為雙線性等向強(qiáng)化材料，在彈性階段后，出現(xiàn)顯著的彈塑性階段后失效，切線模量為正且低于彈性模量. A2、B2、C2試樣失效應(yīng)力增加，失效應(yīng)變降低，材料增強(qiáng)但更早失效.

逆梯度壓力，零梯度壓力和順梯度壓力分布活性材料冷壓試樣和冷壓燒結(jié)試樣的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖6所示.

從圖6(a)中可以看出，順梯度壓力分布活性材料D1失效強(qiáng)度為11.03 MPa，與C1的失效強(qiáng)度11.64 MPa接近，且高于B1的失效強(qiáng)度9.43 MPa. 說(shuō)明10 MPa-30 MPa-50 MPa順梯度壓力分布試樣壓縮失效強(qiáng)度與最高模制壓力(50 MPa)的零梯度壓力試樣接近. 逆梯度壓力分布活性材料D3失效強(qiáng)度為4.302 MPa，與A1的失效強(qiáng)度3.457 MPa接近，但顯著低于B1的失效強(qiáng)度. 結(jié)果表明，說(shuō)明以50 MPa-30 MPa-10 MPa逆梯度壓力分布試樣壓縮失效強(qiáng)度與最低模制壓力(10 MPa)的零梯度壓力分布試樣接近. 圖6(a)還可看出，逆梯度壓力分布活性材料更早結(jié)束彈性階段，達(dá)到失效應(yīng)變.

燒結(jié)后試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮結(jié)果如圖6(b)所示，順梯度壓力分布活性材料D2失效強(qiáng)度為34.17 MPa，比C2和B2的失效強(qiáng)度33.59 MPa和33.23 MPa接近. 逆梯度壓力分布活性材料D4失效強(qiáng)度為31.8 MPa，比A2試樣強(qiáng)度提高 1.83 MPa，比B2失效強(qiáng)度降低1.43 MPa. 燒結(jié)后梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度均發(fā)生大幅提高，失效強(qiáng)度由4.313 MPa提高為31.80 MPa. 由圖6(b)知，燒結(jié)后逆梯度壓力梯度壓力分布活性材料壓縮失效過(guò)程與順梯度壓力梯度壓力分布試樣接近，彈性段后為顯著彈塑性階段[11].

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梯度壓力分布對(duì)活性材料失效強(qiáng)度有顯著影響. 隨模制壓力提高，失效強(qiáng)度先增大，隨后趨于穩(wěn)定；順梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度與最高模制壓力零梯度壓力分布活性材料一致，而逆梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度接近最低模制壓力零梯度壓力分布活性材料.

3 失效機(jī)理分析

3.1 失效行為分析

圖7為功能梯度PTFE/Al活性材料壓縮失效典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 試樣A1壓縮失效后發(fā)生不規(guī)則破壞，沒(méi)有明顯的失效斷面，產(chǎn)生多條不規(guī)則擴(kuò)展裂紋. 試樣B1不規(guī)則擴(kuò)展裂紋數(shù)量減少，可以觀察到較為明顯一條延伸的裂紋. 試樣C1的出現(xiàn)規(guī)則的失效裂紋，與軸線約成30°方向產(chǎn)生裂紋. 試樣D1出現(xiàn)兩條與軸線約成45°方向的裂紋.

試樣D3失效行為有別于零梯度壓力和順梯度壓力試樣，末壓實(shí)層(10 MPa模制壓力)材料受壓，與上壓盤(pán)接觸部分向徑向膨脹，膨脹程度隨上壓盤(pán)移動(dòng)方向逐漸降低，發(fā)生圓臺(tái)狀變形. 中間壓實(shí)層(30 MPa)和首壓實(shí)層(50 MPa)成型部分材料未發(fā)生顯著變化. 逆梯度壓力活性材料整體呈蘑菇狀破壞失效，具有最顯著的漸變失效行為. 燒結(jié)后功能梯度活性材料壓縮后發(fā)生徑向膨脹變形，材料便面無(wú)明顯裂紋. 其中逆梯度壓力分布的活性材料壓縮后，各壓實(shí)層出現(xiàn)不同程度的徑向膨脹. 中間壓實(shí)層(30 MPa)徑向膨脹程度最高，首壓實(shí)層(50 MPa)和末壓實(shí)層材料(10 MPa)徑向膨脹程度依次降低. 逆梯度壓力分布活性材料整體呈不規(guī)則圓鼓狀破壞失效.

將逆梯度壓力分布試樣D3進(jìn)一步充分準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，將試驗(yàn)機(jī)位移設(shè)定為活性材料高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示. 圖中實(shí)線為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 活性材料試樣在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)多層分段失效，出現(xiàn)4個(gè)失效應(yīng)力峰值，失效應(yīng)變對(duì)應(yīng)圖中向上的箭頭位置. 各應(yīng)力峰值間材料的應(yīng)力先降后升，出現(xiàn)三處應(yīng)力拐點(diǎn)，如圖中向下的箭頭所示.

圖7 梯度壓力分布活性材料失效行為典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 逆梯度壓力分布活性材料充分準(zhǔn)靜態(tài)壓縮典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式(1)和試樣各壓實(shí)層層高，得到不同壓實(shí)層接觸面對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)變，如圖中垂直的虛線所示. 虛線將圖8分為3個(gè)壓實(shí)層區(qū)域. 根據(jù)左下方的實(shí)驗(yàn)試樣表面顏色填涂各區(qū)域. 按壓縮壓實(shí)區(qū)次序，將壓縮過(guò)程中材料失效分為3個(gè)階段.

第一階段壓縮末壓實(shí)層，對(duì)應(yīng)最低成型壓力10 MPa，與圖7(a)中失效結(jié)果相同，功能梯度活性材料發(fā)生塑性變形，材料整體表現(xiàn)為蘑菇狀失效，材料應(yīng)力迅速上升達(dá)到第一應(yīng)力峰值. 隨著真實(shí)應(yīng)變?cè)黾?，真?shí)應(yīng)力逐漸降低至1.5 MPa，到達(dá)第一處應(yīng)力拐點(diǎn). 此時(shí)失效碎裂的活性材料向周向剝離. 隨著真實(shí)應(yīng)變?cè)黾?，真?shí)應(yīng)力出緩慢回升.

第二階段壓縮中間壓實(shí)層，對(duì)應(yīng)30 MPa成型壓力. 真實(shí)應(yīng)力迅速提高達(dá)到第二個(gè)應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值大小4.478 MPa接近第一應(yīng)力峰值的4.455 MPa. 此時(shí)材料失效形式仍為蘑菇狀失效，末壓實(shí)層已被充分壓縮形成連續(xù)的散開(kāi)狀，首壓實(shí)層未發(fā)生顯著變形. 隨后真實(shí)應(yīng)力再次降低至0.23 MPa，到達(dá)第二處應(yīng)力拐點(diǎn)，并再次緩慢回升.

第三階段壓縮首壓實(shí)層，對(duì)應(yīng)最高成型壓力10 MPa，材料迅速達(dá)到第三失效峰值0.588 MPa，此時(shí)失效活性材料繼續(xù)周向剝離，末壓實(shí)層為圓餅形且無(wú)顯著變化. 進(jìn)一步壓縮活性材料，在第三處應(yīng)力拐點(diǎn)后，失效應(yīng)力達(dá)到第4個(gè)峰值2.474 MPa. 此時(shí)材料完全失效，如圖9所示，首壓實(shí)層材料失效后，表面有多條徑向和軸向裂紋，并與軸向剝離失效材料相連.

圖9 充分壓縮逆梯度壓力活性材料典型實(shí)驗(yàn)照片

將逆梯度壓力分布活性材料反向放置進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，記為反向壓縮，而原壓縮方式為正向壓縮，如圖10所示.

圖10 正、反向壓縮的梯度壓力分布活性材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖10中，正反兩方向冷壓成型的梯度壓力分布活性材料具有類似的多處應(yīng)力失效行為和失效應(yīng)變. 兩種壓縮失效的活性材料具有相同大小的第二個(gè)和第四個(gè)應(yīng)力峰值，但第一和第三失效應(yīng)力峰值存在差異.

3.2 失效機(jī)理討論

給定顆粒組分配比的活性材料具有理論最大密度[12]. PTFE/Al活性材料內(nèi)部隨機(jī)分布的顆粒間存在一定空隙[13]，在超過(guò)300 MPa模制壓力制備的活性材料實(shí)際密度低于最大理論密度[14]. 不高于50 MPa模制壓力制備的活性材料，隨模制壓力增大，材料孔隙度顯著降低，活性材料內(nèi)部顆粒致密化，材料實(shí)際密度增大. 活性材料壓縮強(qiáng)度與材料顆粒間正應(yīng)力形成的力鏈效應(yīng)有關(guān)，致密的顆粒分布有利于力鏈的形成及演化. 即高模制壓力的活性材料具有高材料密度和良好的材料壓縮強(qiáng)度. 研究表明[15]，單次冷壓成型材料實(shí)際密度可表述為

ρh=a+blnP-ch

(3)

式中：ρh為活性材料微元實(shí)際密度；P為模制壓力；h為沿成型壓力方向材料微元到載荷作用平面距離；a、b和c為常數(shù)且大于0.

假設(shè)后續(xù)成型壓力高于已壓實(shí)部分壓力時(shí)，才能對(duì)已壓實(shí)部分補(bǔ)充壓實(shí). 零梯度壓力分布活性材料與均一活性材料冷壓密度分布如圖11. 零梯度壓力分布活性材料三個(gè)壓實(shí)層密度分布相同，具有更致密的材料密度. 相鄰等厚度h0的壓實(shí)層間斷面，兩側(cè)微元出現(xiàn)密度階躍Δρh0，表述為

Δρh0=ch0

(4)

在中間壓實(shí)層和首壓實(shí)層密度高于對(duì)應(yīng)h處均一活性材料密度，密度差依次擴(kuò)大. 隨著材料層數(shù)增加，整體密度差異逐漸強(qiáng)化，模制壓力連續(xù)變化的功能梯度活性材料可以認(rèn)為是理想均一材料.

逆、順梯度壓力分布活性材料密度分布如圖12所示. 對(duì)于順梯度壓力分布活性材料，后續(xù)模制壓力對(duì)已成型活性材料仍能進(jìn)行補(bǔ)充壓實(shí)，界面間不存在顯著密度差，材料密度分布與對(duì)應(yīng)最大模制壓力成型的均一活性材料近似.

逆梯度壓力分布材料呈顯著功能梯度特性，在壓實(shí)層間斷面出現(xiàn)顯著地密度階躍，對(duì)應(yīng)密度階躍至差可表述為

Δρh-1=bln 5/3+ch2

(5)

Δρh-2=bln 3+ch1

(6)

式中Δρh-1和Δρh-2為中間壓實(shí)層與首壓實(shí)層、末壓實(shí)層的間斷面密度差.

圖11 零梯度壓力分布活性材料與均一活性材料冷壓成型密度分布

圖12 順、逆梯度壓力分布活性材料密度分布

由式(5)與式(6)可知，密度階躍值恒為正數(shù)，說(shuō)明間斷面兩側(cè)材料存在顯著密度差異. 準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)中，低密度的首壓實(shí)層首先壓縮失效，遠(yuǎn)離材料軸心的低密度層活性材料持續(xù)軸向膨出，不影響材料失效.

而靠近軸心的活性材料逐漸密實(shí)，在接近第一的間斷面時(shí)，失效的材料已經(jīng)再次被壓實(shí)，真實(shí)應(yīng)力再次提高，與圖8中第一階段對(duì)應(yīng). 相類似的對(duì)中間壓實(shí)層和首壓實(shí)層材料壓縮，材料密度出現(xiàn)兩次階躍，同時(shí)在壓實(shí)層底部失效材料出現(xiàn)再次堆積密實(shí)，對(duì)應(yīng)圖8中第二和第三階段對(duì)應(yīng).

隨首壓實(shí)層厚度增加，材料末壓實(shí)層底部和中間壓實(shí)層頂部密度可能有重疊，如圖13所示，成型過(guò)程中密度會(huì)補(bǔ)充壓實(shí)，在中間層失效后首壓實(shí)層也部分失效，對(duì)應(yīng)第三應(yīng)力峰值顯著降低. 三層材料失效后軸心處不均勻堆積的活性材料壓縮失效，與圖9結(jié)果相吻合. 可以看出，提高梯度壓力分布活性材料相鄰壓實(shí)層間模制壓力，或高模制壓力層材料厚度增加，更易造成密度重疊區(qū). 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中出現(xiàn)多層不穩(wěn)定失效.

圖13 密度重疊區(qū)

燒結(jié)后材料基體發(fā)生熔化和重結(jié)晶過(guò)程，內(nèi)部產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力. 材料內(nèi)部顆粒分布發(fā)生顯著變化，顯著影響材料強(qiáng)度. 與燒結(jié)試樣失效行為提高結(jié)果相吻合.

4 結(jié) 論

通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了梯度壓力分布對(duì)活性材料力學(xué)特性的影響，從材料失效的角度出發(fā)，獲得了梯度壓力分布對(duì)活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)特性的影響規(guī)律. 主要結(jié)論如下：

① 逆梯度壓力分布活性材料具有最顯著的功能梯度特性，順梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)最高模制壓力成型的零梯度壓力分布材料相同，零梯度壓力時(shí)材料壓縮特性略高于均一活性材料. 燒結(jié)后梯度壓力分布材料失效強(qiáng)度顯著提高.

② 隨模制壓力提高，冷壓成型的零梯度壓力分布活性材料從不規(guī)則破壞轉(zhuǎn)化為軸向45°破壞. 順梯度壓力材料與50 MPa零梯度壓力材料破壞形式相同. 逆梯度壓力分布活性材料呈蘑菇狀失效，充分壓縮出現(xiàn)4個(gè)失效應(yīng)力峰值. 燒結(jié)后梯度密度分布活性材料呈徑向膨脹變形.

③ 高模制壓力的活性材料具有高材料密度和良好的材料壓縮強(qiáng)度，模制壓力連續(xù)變化的梯度密度分布活性材料可以認(rèn)為是理想均一材料. 逆梯度壓力分布活性材料密度梯度分布及失效后軸心材料堆積密實(shí)造成材料多應(yīng)力峰值失效結(jié)果.