ZrH2填充改性Al/PTFE 的力學響應與毀傷性能

張 軍，吳家祥，任鑫鑫，姚 淼，武雙章，黃駿逸，李裕春

（1. 中國人民解放軍78102 部隊，四川 成都 610031；2. 陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007）

1 引言

鋁/聚四氟乙烯（Al/PTFE），是最具代表性的反應材料之一，具有能量密度高、穩(wěn)定性好、較易制備等特性，在沖擊荷載作用下，Al 與PTFE 可發(fā)生高放熱的氧化還原反應［1-3］，可制成具有撞擊?反應雙重毀傷效應的含能戰(zhàn)斗部。打擊目標時，含能戰(zhàn)斗部除了具有常規(guī)彈丸的動能穿甲特性，還能釋放化學能，產(chǎn)生爆炸沖擊、超壓、燃燒等綜合殺傷效應［4］。2009～2013 年，ATK 公司等國外研究機構(gòu)相繼披露了反應材料在武器系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部中的應用研究［5-6］。近年來，國內(nèi)學者也開始廣泛開展反應材料毀傷后效、釋能特性等應用領(lǐng)域的相關(guān)研究［7-9］。

相比于傳統(tǒng)含能材料，Al/PTFE 反應材料雖然具有更優(yōu)異的物化特性，但其密度和強度等力學性能遠不及金屬材料，因此無法作為獨立的結(jié)構(gòu)毀傷元使用。反應材料在實際應用方面研究的一個重要方向是提高其力學強度和整體密度以保證毀傷元的侵徹能力，同時還需要具有足夠高的能量釋放水平以確保侵徹后的殺傷效應，此外材料也要足夠鈍感，防止在生產(chǎn)加工、運輸儲存、作戰(zhàn)使用等勤務操作過程中發(fā)生反應。

基于反應材料組分的可調(diào)控性，許多學者通過填充改性，在Al/PTFE 材料中引入其它具有優(yōu)異物化特性的物質(zhì)，研究對其力學性能、材料密度等性能的影響，探索Al/PTFE 反應材料在實際應用中的可行性。金屬氫化物作為一種新型含能材料，近年來受到廣泛關(guān)注，于鐘深等［10-12］首次將TiH2添加到Al/PTFE 中開展力學性能、釋能特性等研究，結(jié)果表明，適量的TiH2不僅能提高材料的抗壓強度，還有助于提高能量釋放水平，是一種優(yōu)異的含能添加劑。ZrH2作為金屬氫化物的一種，具有較高的儲氫密度和安全穩(wěn)定性［13］，相關(guān)學者對其在傳統(tǒng)推進劑和黑索今（RDX）基炸藥中的燃燒機理、能量特性等方面展開了一系列的研究［14-15］，本課題組首次將ZrH2引 入到Al/PTFE 中 并開展不同配比/粒徑條件下Al/ZrH2/PTFE 的熱反應過程、力學性能與反應特性等研究［16-17］，結(jié)果表明，ZrH2可在700～750 ℃發(fā)生活化分解，適量的ZrH2有助于提高材料的力學強度，且可以完全參與Al/PTFE 反應，充分釋放能量，是一種優(yōu)異的高能添加劑，可在保證材料能量釋放水平的前提下，起到優(yōu)化材料性能的作用?；诖饲暗难芯炕A(chǔ)，本文采用冷壓燒結(jié)工藝制備了Al/ZrH2/PTFE、對比組Al/PTFE 和純PTFE 三種試件，通過準靜態(tài)壓縮和落錘沖擊實驗對比分析了三種材料的力學強度與撞擊感度，并繼續(xù)開展撞靶實驗，對不同材料藥型罩對目標靶板的毀傷效應進行研究。

2 實驗部分

2.1 原料選取與試件制備

PTFE:平均粒徑25 μm，純度＞99.5%，上海三愛富新材料股份有限公司；Al 粉:平均粒徑1～2 μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司；ZrH2粉:平均粒徑10 μm，沈陽錦州海鑫金屬材料有限公司。

分別制備Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE、純PTFE 圓柱體（Φ10 mm×10 mm、Φ10 mm×3 mm）和球缺形藥型罩（2 mm 等壁厚，30 mm 口徑）試件，試件中Al、PTFE的質(zhì)量分數(shù)按照化學平衡比（m（Al）∶m（PTFE）=26.5∶73.5）進行配比，ZrH2含量占Al/ZrH2/PTFE 總質(zhì)量的10%，Al/ZrH2/PTFE 試件中Al、ZrH2與PTFE 的質(zhì)量分數(shù)分別為23.8%∶10%∶66.2%。

試件制備過程:（1）混藥:將材料分別按照配方稱重置于燒杯中混合，加入適量的無水乙醇制成懸浮液，機械攪拌20 min 至充分混合，再放置于60 ℃的真空烘箱中保溫烘干至完全干燥。（2）模壓:將干燥混合物過篩（60 目）得到均勻粉末，再使用成型模具將干燥均勻粉末壓制成圓柱狀試件和球缺形藥形罩，壓制壓力為240 MPa，保壓時間為20 s。（3）燒結(jié):將壓制成型試件置于真空燒結(jié)爐中恒溫燒結(jié)4 h，設(shè)定燒結(jié)溫度360 ℃，升溫速率90 ℃·h-1，降溫速率50 ℃·h-1。

2.2 實驗過程

2.2.1 準靜態(tài)壓縮實驗

參照GB/T1039-1992《塑性力學性能試驗方法總則?塑料壓縮性能試驗方法》，采用CMT5105 微機控制電子萬能試驗機（最大加載力為100 kN）分別對三組試件（Φ10 mm×10 mm）進行準靜態(tài)壓縮，設(shè)定壓頭壓縮速率為6 mm·min-1。加載前在試件兩端涂抹適量凡士林以減少端部摩擦對實驗結(jié)果的影響。為保證實驗結(jié)果的一致性與可靠性，對每組試件分別進行3 次重復性實驗，記錄試件的應力?應變數(shù)據(jù)并取其平均值。實驗環(huán)境溫度為27 ℃。

2.2.2 落錘實驗

參照GJB772A-1997 601.2 特性落高法測試試件（Φ10 mm×3 mm）在中等應變率（100～102s-1）范圍內(nèi)的撞擊感度。落錘質(zhì)量為10kg，下落高度范圍為0～160 cm，落錘在最大高度自由下落的撞擊能量為156.8 J，測試的應變率范圍為0～200 s-1。實驗時將試件置于底座正中心，落錘從不同高度下落撞擊試件，采用FASTCAM SA?Z 高速攝影記錄試件被撞擊過程，并根據(jù)錄像判斷試件是否發(fā)生反應，獲得試件50%發(fā)火幾率的特性落高H50。

2.2.3 靶板沖擊實驗

撞靶活性毀傷元及組件如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)主要由反應材料藥型罩、壓裝塑性炸藥以及殼體等附件組成，其中殼體、端蓋、緩沖層的材料為尼龍，利用車床加工獲得。主裝藥質(zhì)量為15 g，壓裝均勻。毀傷實驗場地設(shè)置如圖2 所示。目標靶板為普通碳素鋼，長寬尺寸為500 mm×500 mm，厚度為5 mm。藥型罩距離靶板6 cm，采用火雷管起爆方式，并用高速攝影記錄實驗過程。

圖1 撞靶活性毀傷元及其組件Fig.1 Active damage element and it′s components

圖2 靶板沖擊實驗場地設(shè)置Fig.2 Experiment layout of steel plate impact by active dam?age element

3 結(jié)果與討論

3.1 準靜態(tài)壓縮下材料的力學性能

三組試件在準靜態(tài)壓縮條件下的真實應力?應變曲線如圖3 所示，對應的力學性能參數(shù)如表1 所示。從圖3曲線關(guān)系可以看出，在準靜態(tài)壓縮實驗下，三種材料均為彈塑性材料，先經(jīng)歷一段短暫時期的彈性變形，到達屈服點，而后進入塑性變形階段并表現(xiàn)出應變硬化效應，當加載應力達到材料抗壓強度的時候，試件失效。

表1 三種材料的準靜壓力學性能參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of three materials under quasi?static compression

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，Al/PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 試件的屈服強度、失效應力和失效應變值比純PTFE 大，表現(xiàn)為更加優(yōu)異的力學性能，這是由于在受壓時，ZrH2與Al 顆粒對反應材料的強度具有增強作用。在彈性階段，試件發(fā)生變形的部分主要集中于較軟的PTFE 基體，添加劑對基體的增強作用可忽略不計；當試件屈服進入塑性階段時，由于進一步受壓，添加微粒和PTFE 基體呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，PTFE 基體的支撐作用顯著降低，此時主要由ZrH2與Al 顆粒提供支撐與強化作用，直至材料受壓失效。在Al/PTFE 中添加含量為10%的ZrH2時，試件的屈服強度和失效應力分別由21.0 MPa 和92.9 MPa 提 高到22.2 MPa 和93.3 MPa，分析認為:ZrH2為不規(guī)則形狀顆粒，更容易與PTFE 基體黏合，在受壓過程中，粒子間更難發(fā)生相對運動，因此，能一定程度提高材料的抗壓強度，可見適量ZrH2能起到改善Al/PTFE 反應材料力學性能的作用。

3.2 落錘沖擊下材料的撞擊感度

由于原有落錘試驗程序具有統(tǒng)計性差的特點，因此采用一種改進后的“上下試探法”［18-20］對三組試件分別進行15 次重復性實驗并記錄試件的每一次發(fā)火情況，根據(jù)特性落高計算公式分別計算得到三組試件的特性落高值H50。由于落錘為自由下落，撞擊試件的時間非常短，可視為瞬間完成，因此認為試件被撞擊后的能量吸收值近似等于落錘的下落勢能，落錘在特性落高處的下落勢能即為試件反應所需的最小能量，進一步計算即可得到每組試件的點火激發(fā)能，結(jié)果如表2所示。

表2 三種材料的特性落高與點火激發(fā)能Table 2 The characteristic drop?height and ignition energy of three materials

由表2 可以看出，在落錘沖擊實驗中，PTFE 為惰性材料而無法發(fā)生反應，兩種反應材料試件的特性落高分別為44.30 cm 與46.27 cm，這表明ZrH2含量為10%的Al/ZrH2/PTFE 試件的撞擊感度低于Al/PTFE 試件。分析認為，這是由于引入添加劑ZrH2時，Al與PTFE的含量相對減少，導致Al、PTFE顆粒的接觸程度下降，發(fā)生初始反應的幾率降低，從而導致試件撞擊感度下降。

對兩組反應材料試件在相同落高（65 cm）條件下進行落錘撞擊實驗，撞擊反應過程如圖4 所示，從圖中可以看出，兩種材料在相同落高下的反應程度區(qū)別不大，不同的是含ZrH2的Al/ZrH2/PTFE 試件火光周圍存在較明顯的火星噴濺現(xiàn)象，這可能是由于ZrH2活化分解參與反應的原因［16］。實驗結(jié)果表明，一定量的ZrH2添加劑在不影響Al/PTFE 反應程度的情況下，還可起到調(diào)整反應材料撞擊感度的作用。

3.3 三種材料的撞靶毀傷效應

圖4 相同落高（65 cm）下落錘撞擊試件的反應過程（a）Al/PTFE 試件（b）Al/ZrH2/PTFE 試件Fig.4 Reaction processes of specimens after drop?hammer impact at the same drop height of 65 cm（a）Al/PTFE specimens（b）Al/ZrH2/PTFE specimens

起爆毀傷元裝藥后，藥型罩在炸藥爆轟壓力的推動下，形成EFP 爆炸成型彈丸，彈丸高速撞擊靶板，純PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 兩種藥型罩撞擊5 mm 厚靶板的反應過程如圖5 所示，三種藥型罩對靶板的毀傷效果如圖6 所示。從圖5 和圖6 可看出，在初始時刻0 ms時，炸藥爆轟產(chǎn)生一團較小的火光，在1 ms 時刻，兩種藥型罩撞擊靶板，且瞬間產(chǎn)生強烈的火光和濃煙。不同的是，含能藥型罩撞擊靶板后，在其后方出現(xiàn)了明顯的反應區(qū)，到2 ms 和3 ms 時刻時，反應區(qū)火光繼續(xù)擴散。實驗現(xiàn)象表明含能毀傷元在撞靶過程中發(fā)生了撞擊釋能反應，并作用于靶板，在其正面部位留下了黑色燒灼痕跡和積碳。Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩對見證鋼板的后效作用如圖7 所示，在目標靶板生成孔徑正后方的見證鋼板上也出現(xiàn)了大面積的燒灼痕跡和黑色積碳，并且還存在一些碎片撞擊后的分散型凹坑。分析認為:燒灼痕跡和黑色積碳是由于含能藥型罩撞擊靶板發(fā)生釋能反應，生成的氣態(tài)產(chǎn)物穿過目標鋼板的孔洞，繼續(xù)膨脹擴散作用于見證鋼板形成。彭琳茜［21］在研究Al/PTFE 的制備工藝與含能破片的燃燒效應時也發(fā)現(xiàn)，Al/PTFE 含能破片撞擊目標時會受到較大的擠壓而發(fā)生化學反應并放出熱量，引燃浸有柴油的油布或者油箱。分散型凹坑可能是由于未完全反應的藥型罩材料穿過孔洞撞擊形成，也可能是由于藥型罩撞擊靶板時，鋼板在發(fā)生變形、破壞和穿孔的過程中，靶板背面發(fā)生部分崩落生成碎片撞擊見證鋼板造成。純PTFE 藥型罩由于在沖擊過程中無法發(fā)生反應，僅能依靠自身動能毀傷目標靶板，因此未出現(xiàn)明顯的化學反應區(qū)和反應產(chǎn)物痕跡。上述撞靶實驗現(xiàn)象表明，當反應材料被應用于戰(zhàn)斗部時，在高速沖擊條件下，彈丸依靠自身動能穿透目標靶板，同時，反應材料在巨大的擠壓作用下發(fā)生爆燃、類爆轟等劇烈的化學反應，產(chǎn)生的沖擊波，高溫場、碎片、有毒氣體以及單質(zhì)碳可對目標內(nèi)的人員與電子設(shè)備產(chǎn)生二次殺傷作用［4］。

如圖6 所示，觀察目標靶板背面，可以看出與純PTFE 不同的是，兩種含能藥型罩撞靶形成花瓣式外翻的穿孔形式，進一步表明含能毀傷元發(fā)生釋能反應，生成產(chǎn)物對靶板產(chǎn)生徑向膨脹擴孔效應。靶板的孔徑大小數(shù)據(jù)如表3 所示，三種藥型罩均能穿透5 mm 厚鋼板。在擴孔能力方面，純PTFE 制成的惰性藥型罩最弱，這是由于在撞擊過程中，純PTFE 藥型罩只能依靠自身動能穿孔，而含能藥型罩的反應產(chǎn)物進一步對靶板孔洞產(chǎn)生徑向擴孔效應。Al/PTFE 撞靶孔徑約為PTFE 的2 倍，這表明含能毀傷元的撞擊?反應雙重效應使其擴孔能力大大提升。Al/ZrH2/PTFE 藥型罩撞靶產(chǎn)生的孔徑為Al/PTFE 的1.5 倍，分析認為:一方面，適量的ZrH2提高了反應材料的強度和密度，另一方面，ZrH2參與Al/PTFE 的化學反應提高了毀傷元整體的能量釋放水平，使毀傷效果更好。Al/ZrH2/PTFE 在撞靶過程可能發(fā)生的化學反應有:

圖5 兩種藥型罩撞靶反應過程（a）純PTFE 藥型罩（b）Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩Fig.5 Reaction processes after impact of shaped materials（a）pure PTFE liner（b）Al/ZrH2/PTFE energetic liner

圖6 三種藥型罩對靶板的毀傷效果（a）純PTFE 藥型罩（b）Al/PTFE 藥型罩（c）Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩Fig.6 Damage effects of three kinds of liners onto targets（a）pure PTFE liner（b）Al/PTFE energetic liner（c）Al/ZrH2/PTFE ener?getic liner

圖7 Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩對見證鋼板的后效作用Fig.7 Aftermath of Al/ZrH2/PTFE energetic liner onto proof plate

表3 三種藥型罩沖擊5 mm 厚鋼板的毀傷效應參數(shù)Table 3 Damage effects of 5 mm thick steel plate after im?pact by three kinds of liners

4 結(jié)論

（1）三種材料均為彈塑性材料，都存在應變硬化效應，Al/ZrH2/PTFE 試件的屈服強度和失效應力值最大，因此，引入質(zhì)量分數(shù)為10%的ZrH2可一定程度提高Al/PTFE 反應材料的抗壓強度。此外，在不影響材料整體能量釋放水平的前提下，ZrH2有助于減小Al 與PTFE 發(fā)生初始反應的幾率，降低反應材料的撞擊感度。ZrH2的這一物化特性，可為通過氫化物填充改性Al/PTFE 反應材料，制備不同應用環(huán)境所需特性和功能的反應材料奠定研究基礎(chǔ)。

（2）Al/PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 含能藥 型罩在撞靶過程中能發(fā)生撞擊釋能反應，相比于惰性毀傷元，存在明顯的反應區(qū)、對靶板的黑色燒灼痕跡和積碳現(xiàn)象。釋能反應產(chǎn)物具有徑向膨脹擴孔效應，侵徹靶板造成花瓣式外翻的穿孔形式。Al/PTFE 穿靶孔徑約為純PTFE 的2 倍，表明含能藥型罩的撞擊?反應雙重毀傷效應可大幅提升其擴孔能力，Al/ZrH2/PTFE 穿靶孔徑為Al/PTFE 的1.5 倍，表明在Al/PTFE 中填充ZrH2，通過改善材料力學性能，提高材料能量密度，能進一步增強反應材料的毀傷效能。