PTFE 基含能藥型罩射流釋能特性及影響因素

李 延，王 偉，張雷雷，王在成，姜春蘭

（1. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點試驗室，北京 100081；2. 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

1 引言

聚四氟乙烯基（PTFE）基含能材料在聚能裝藥方面的應(yīng)用，為提高射流侵徹后效作用提供了新的技術(shù)途徑，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)金屬射流不同，含能射流可對目標(biāo)實現(xiàn)動能和化學(xué)能聯(lián)合毀傷。在 毀 傷效應(yīng) 方 面，Baker［1］、Daniels［2］、肖 建 光［3］等 通 過PTFE基含能藥型罩聚能裝藥毀傷混凝土類目標(biāo)試驗，發(fā)現(xiàn)射流在侵靶同時會發(fā)生內(nèi)爆效應(yīng)，提升對目標(biāo)的結(jié)構(gòu)毀傷效果；辛春亮［4］、萬文乾［5］、張雪朋［6-7］開展了PTFE基含能藥型罩射流侵徹裝甲類目標(biāo)試驗，發(fā)現(xiàn)射流穿透鋼靶后具有明顯后效作用。在射流成型方面，曹辰［8］、王永志［9］、陳杰［10］開展了PTFE 基含能藥型罩射流成型數(shù)值模擬，獲得射流成型規(guī)律，并通過X 光攝像試驗，證明與傳統(tǒng)射流相比，PTFE 基含能射流具有發(fā)散性。

從國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻來看，有關(guān)PTFE 基藥型罩的研究主要集中在射流對不同目標(biāo)的毀傷效應(yīng)及射流的成型特性，而有關(guān)射流在成型過程中動態(tài)釋能特性的研究仍然較少。射流的動態(tài)釋能關(guān)系到射流對目標(biāo)靶的侵爆毀傷效果，為此，采用靜爆試驗與理論分析相結(jié)合的方法，對PTFE 基藥型罩的射流釋能特性開展研究，研究結(jié)果對于含能藥型罩的設(shè)計和威力評估具有一定的參考價值。

2 含能射流釋能測試試驗

2.1 試驗測試系統(tǒng)

為了研究PTFE 基含能藥型罩射流釋能特性，設(shè)計了如圖1a 所示試驗測試系統(tǒng)，主要包括含能藥型罩聚能裝藥、防護板、密閉測試罐、蓋板及超壓測試系統(tǒng)（包括壓力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、波形存儲器）。傳感器選用中國航天空氣動力技術(shù)研究院研制的AK-1 應(yīng)變式壓力傳感器，量程10 MPa。蓋板為4 mm 厚鋼板，由螺栓將其與密閉測試罐固定在一起，二者之間由橡膠墊密封。罐體側(cè)壁裝有應(yīng)變式壓力傳感器，連接動態(tài)應(yīng)變儀和波形存儲器，測試罐體內(nèi)部超壓。為了降低炸藥爆炸產(chǎn)生空氣沖擊波及爆轟產(chǎn)物對壓力傳感器的影響，在罐體上方設(shè)有防護板，含能藥型罩聚能裝藥垂直置于防護板中央，距離蓋板1 倍炸高，為了便于含能侵徹體通過，在防護板中心位置開有Φ40 mm 的圓孔。密閉測試罐壁容積25 L，試驗現(xiàn)場布置如圖1b 所示。此外，在試驗過程中，使用高速攝影儀進行同步拍攝，記錄試驗現(xiàn)象，拍攝頻率設(shè)為20000 幀/s。

圖1 試驗測試系統(tǒng)及現(xiàn)場布置Fig.1 Schematic diagram and physical picture of test arrangement

2.2 試驗方案

以PTFE/Ti/W 含能藥型罩為研究對象，藥型罩結(jié)構(gòu)為圓錐形，錐角60°，口徑（CD）40 mm，主裝藥高度1.25 CD，質(zhì)量約85 g。試驗共分為三組，第一組（方案1、方案7）以惰性鋁罩為參照，探索含能藥型罩的釋能屬性；第二組（方案1、方案2、方案3、方案4）在一定藥型罩質(zhì)量條件下，研究W 含量對射流釋能的影響，第三組（方案1、方案5、方案6）以未添加W 粉的含能罩為對象，研究藥型罩質(zhì)量對射流釋能的影響，具體試驗方案如表1 所示，其中含能藥型罩中PTFE 和Ti 的相對質(zhì)量始終遵循零氧平衡下PTFE/Ti 熱化學(xué)方程式。

表1 試驗方案Table 1 Test plan

3 試驗測試結(jié)果與分析

3.1 高速攝像結(jié)果與分析

含能罩與鋁罩聚能裝藥在不同時刻的靜爆圖像如表2 所示，可以看出，在靜爆過程中，除了炸藥爆炸產(chǎn)生的火光之外，測試罐上方還出現(xiàn)一股向上噴射的火光，這是由于罐內(nèi)高溫高壓氣體從蓋板穿孔泄出而造成的。從火光程度上來看，含能射流產(chǎn)生的火光更為明亮，且范圍較大，持續(xù)時間較長，達到了20 ms 以上，相比之下，鋁射流產(chǎn)生的火光較為微弱，持續(xù)時間較短，在20 ms 時火光就已基本消失。由此可以判斷，含能射流在測試罐內(nèi)部發(fā)生了強烈的放熱化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量能量。而惰性鋁罩之所以也噴射出小股火光，分析認(rèn)為，這是由于在靜爆過程中，少量爆轟產(chǎn)物會不可避免的跟隨射流進入罐體內(nèi)部，形成超壓，引發(fā)泄壓效應(yīng)。

表2 含能罩與鋁罩靜爆試驗對比Table 2 Test comparison of energetic and aluminum liners

此外，不同W 含量含能罩的靜爆圖像如表3 所示。可見，隨著W 含量的增加，泄壓產(chǎn)生的火光整體呈現(xiàn)出削弱的趨勢，火光范圍減小，持續(xù)時間縮短，射流釋能效應(yīng)減弱，這也說明了W 粉在射流成型過程中保持了較高的惰性，不會或很少參與到化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中；不同質(zhì)量含能罩的靜爆圖像如表4 所示，隨著藥型罩質(zhì)量的增加，藥型罩?jǐn)y帶含能材料增多，泄壓火光整體呈現(xiàn)出增強的趨勢，射流釋能效應(yīng)增強。

表3 不同W 含量含能罩靜爆試驗對比Table 3 Test comparison of energetic liner with different W contents

表4 不同質(zhì)量含能罩靜爆試驗對比Table 4 Test comparison of energetic liners with different masses

3.2 動態(tài)超壓結(jié)果與分析

含能射流在密閉測試罐內(nèi)釋能產(chǎn)生超壓效應(yīng)，超壓測試系統(tǒng)測得典型實際壓力如圖2 黑線所示，可以看出，壓力在3 ms 內(nèi)上升到最大值，然后開始緩慢下降。在壓力上升與下降過程中均出現(xiàn)規(guī)律性的震蕩，這主要是由于含能射流在測試罐內(nèi)產(chǎn)生的超壓脈沖會不斷地在罐體壁面發(fā)生反射，從而引發(fā)壓力波形震蕩，經(jīng)脈沖多次反射后，罐內(nèi)壓力逐漸趨于均勻，此時，波形震蕩也隨之減弱。實際測試壓力只能代表傳感器位置處的局部瞬態(tài)超壓，為了反映測試罐內(nèi)的宏觀整體超壓，需對試驗測得的壓力曲線進行平滑處理，得到射流釋能的準(zhǔn)靜態(tài)超壓-時間曲線，如圖2 紅線所示。

圖2 實際壓力與準(zhǔn)靜態(tài)壓力Fig.2 Actual and quasi-static pressures

不同方案下射流釋能準(zhǔn)靜態(tài)超壓-時間曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，含能射流超壓在2～4 ms上升到最大值，說明射流在測試罐內(nèi)發(fā)生了強烈的爆燃反應(yīng)。隨著藥型罩W 含量的增加，超壓峰值從1.06 MPa 下降到了0.78 MPa，如圖3a 所示，射流爆燃效應(yīng)減弱，另外，隨著藥型罩質(zhì)量的增加，超壓峰值從0.83 MPa 上升到了1.06 MPa，如圖3b 所示，射流爆燃效應(yīng)增強。以上兩種變化規(guī)律表明，含能射流的爆燃效應(yīng)與藥型罩所攜帶含能材料的質(zhì)量具有明顯的正相關(guān)性，這也與泄壓火光強度所呈現(xiàn)出的規(guī)律相吻合。

對于惰性鋁射流來說，測試罐內(nèi)仍然產(chǎn)生了0.20 MPa 的超壓，如圖3c 所示。分析認(rèn)為，這主要是由于少量炸藥爆轟產(chǎn)物會跟隨射流進入罐體內(nèi)部，另外，炸藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波同樣會對超壓測試造成干擾，再有，無論是含能射流還是惰性射流，其動能最終都會向熱能發(fā)生轉(zhuǎn)換，而這些因素均會造成測試罐內(nèi)部壓力升高。

圖3 射流釋能準(zhǔn)靜態(tài)超壓-時間曲線Fig. 3 Quasi-static overpressure-time curves of jet energy release

3.3 射流侵徹蓋板結(jié)果與分析

含能罩與鋁罩在靜爆后的蓋板情況如圖4 所示。由圖4 可以看出，鋁罩的蓋板除了中心射流侵徹形成的穿孔外，基本沒有發(fā)生太大變化，而含能罩的蓋板明顯被熏黑，這是由于射流反應(yīng)生產(chǎn)單質(zhì)碳附著于蓋板表面。而蓋板外表面被熏黑也說明了部分含能材料并未進入罐體內(nèi)部，而是在蓋板外發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。另外，相比于鋁罩的蓋板，含能罩的蓋板發(fā)生了明顯的鼓起現(xiàn)象，這是由于含能射流在罐內(nèi)釋能產(chǎn)生氣體膨脹效應(yīng)，膨脹氣體作用于蓋板使其發(fā)生變形，將蓋板的鼓起高度記為h（圖5）。試驗數(shù)據(jù)見表5，從表5 可以看出，蓋板的鼓起高度與罐內(nèi)峰值超壓呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，即超壓峰值越高，蓋板鼓起越高。因此蓋板的鼓起高度也從一個側(cè)面反映出含能射流的爆燃作功能力。

表5 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 5 Test data statistics

圖4 試驗后蓋板情況Fig.4 Cover condition after test

圖5 蓋板變形示意圖Fig.5 Cover deformation diagram

4 含能射流密閉容器釋能模型

4.1 射流密閉容器釋能過程

含能射流在密閉容器內(nèi)的釋能過程伴隨著射流爆燃與超壓傳遞，結(jié)合試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，可以將該過程分為四個階段：射流撞板、反應(yīng)膨脹、超壓反射以及壓力排泄，如圖6 所示。

圖6 含能射流密閉容器釋能示意圖Fig.6 Schematic diagram of jet energy release in the chamber

首先，含能藥型罩在炸藥爆炸驅(qū)動下形成射流，在炸藥強沖擊載荷作用下，含能材料化學(xué)反應(yīng)被激發(fā)，但此時反應(yīng)程度較低，射流并未發(fā)生明顯膨脹。隨后，射流侵徹蓋板進入密閉容器內(nèi)部，如圖6a 所示，在該過程中，射流受到蓋板的沖擊作用而使得反應(yīng)被二次激發(fā)，但由于蓋板很薄，沖擊脈沖的持續(xù)時間非常短，而侵徹體較長，因此，只有射流頭部受到短暫沖擊，蓋板對整個射流的激發(fā)作用非常有限。

隨著射流反應(yīng)的進行，PTFE 不斷解聚生成氣態(tài)C2F4，并與活性Ti 粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)，射流逐漸由凝聚態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，射流直徑不斷加粗，體積不斷膨脹，密度不斷降低。當(dāng)射流整體穿過蓋板進入到容器內(nèi)時，侵徹體的尾裙及部分杵體由于直徑較大，速度較低，無法跟隨射流進入，而是留在穿孔附近，撞擊蓋板，在穿孔周圍形成局部爆燃反應(yīng)。而進入到容器內(nèi)的射流則發(fā)生強烈的爆燃反應(yīng)，生成大量熱量和一定量的氣態(tài)產(chǎn)物，并形成爆燃波向四周傳播，如圖6b 所示。

當(dāng)爆燃波傳至容器壁面時，傳感器被瞬間觸發(fā)，壓力信號急劇上升，動態(tài)超壓達到脈沖峰值1，見圖2。爆燃波經(jīng)壁面反射后，又向容器中心傳去，如圖6c 所示，此時，壓力信號迅速衰減。隨著爆燃波不斷向內(nèi)聚合，容器中心又一次形成了氣體高壓區(qū)，當(dāng)氣體被壓縮到一定程度時將再次發(fā)生膨脹效應(yīng)，形成超壓脈沖向容器壁面?zhèn)鞑?，動態(tài)超壓達到脈沖峰值2見圖2，如此往復(fù)。

當(dāng)超壓氣體經(jīng)歷多次膨脹與反射的脈動過程后，容器內(nèi)的氣體分布逐漸趨于均勻，此時，含能射流的化學(xué)反應(yīng)基本結(jié)束，容器內(nèi)的超壓震蕩幅度明顯降低，準(zhǔn)靜態(tài)壓力達到最大值。高溫高壓氣體不斷從蓋板穿孔泄出，罐內(nèi)壓力逐漸下降，如圖6d 所示。在這一階段，容器內(nèi)各個位置的參數(shù)狀態(tài)基本可以認(rèn)為是均衡的，僅在蓋板穿孔附近的一小部分半球形區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)梯度變化。

4.2 射流密閉容器釋能計算及分析

假設(shè)罐內(nèi)氣體為理想氣體，根據(jù)Ames［11］的理論，氣體熱增率與準(zhǔn)靜態(tài)壓力變化率以及泄壓孔處氣體質(zhì)量變化率之間的關(guān)系如（1）式：

其中，Q為氣體熱力學(xué)能，J；p1為罐內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力，Pa；V為罐體容積，L；γ為氣體絕熱指數(shù)；m為氣體質(zhì)量，g。PTFE/Ti 反應(yīng)體系的熱化學(xué)方程式如下：

Ti+ ─(C2F4)─→TiF4(s)+ 2C(s)+ 893 kJ·mol-1（A）含能射流在測試罐中發(fā)生爆燃反應(yīng)時，容器內(nèi)氣體壓力急劇升高，當(dāng)氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力達到最大值時，射流化學(xué)反應(yīng)基本結(jié)束。在容器內(nèi)壓力上升的這段時間里，雖然有部分氣體會從蓋板穿孔流出，造成一定的泄壓效應(yīng)，但由于孔徑很小，且壓力上升時間非常短，因此可以認(rèn)為在該過程中容器是近似密閉的；另外，由方程（A）可知，含能射流在反應(yīng)過程中無氣態(tài)產(chǎn)物生成，雖然產(chǎn)物C 會與O2繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)生成CO2，但該反應(yīng)持續(xù)時間較長，大約為數(shù)百毫秒［12］，因此在計算射流爆燃過程中氣體質(zhì)量變化時，可以忽略二次反應(yīng)的影響。那么有dmdt= 0，方程（1）可簡化為：

其中，ΔQ為容器內(nèi)氣體熱力學(xué)能增量，Δp為準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值。

由于壓力上升時間非常短，因此可以忽略升壓階段氣體熱量的散失。在此過程中，氣體熱能增加有以下三個方面原因：（1）含能射流化學(xué)反應(yīng)釋放能量；（2）少量爆轟產(chǎn)物跟隨射流進入罐體內(nèi)部造成氣體內(nèi)能增加；（3）射流的動能向熱能發(fā)生轉(zhuǎn)換。其中，射流發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是最主要的原因，但在計算射流釋能時還需考慮其他因素帶來的影響。為此，可將惰性鋁射流設(shè)為參照，含能射流的釋能量ΔE等于氣體熱增量ΔQ減去相同條件下鋁射流產(chǎn)生的氣體熱增量ΔQAl，即：

其中，ET為含能射流的理論釋能量，即藥型罩?jǐn)y帶含能材料的理論總釋能量，J。由方程（A）可知PTFE/Ti（67.6/32.4）的熱值為6.04 kJ·g-1，進而計算得到各藥型罩的理論釋能量，如表6 所示。

根據(jù)射流釋能計算模型得到不同方案下射流釋能量及釋能效率（表6），可以看出，隨著藥型罩W 含量的提高（方案1，2，3，4），射流釋能量從53.8 kJ 下降到了36.3 kJ，但釋能效率卻從29.7%上升到了66.7%。這主要是由于當(dāng)藥型罩W 含量提高時，材料密度增加，波阻抗同時會增加，在炸藥驅(qū)動下，藥型罩材料內(nèi)部會達到更高的壓力，進而產(chǎn)生更高的沖擊升溫，加劇含能材料的化學(xué)反應(yīng)。另外，由于鎢粉具有較高的硬度，在沖擊作用下會與活性Ti 粉發(fā)生強烈的摩擦，從而增加局部熱點的形成，提高反應(yīng)的激活程度。

表6 含能射流釋能統(tǒng)計Tab.6 Statistics of jet energy release

此外，隨著藥型罩質(zhì)量的增加（方案6，5，1），射流釋能從39.4 kJ 上升到了53.8 kJ，但釋能效率卻從50.2%下降到了29.7%。這是由于當(dāng)藥型罩質(zhì)量增加時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波沿壁厚方向傳播的距離變長，相應(yīng)的衰減也增加，因此，藥型罩整體承受的驅(qū)動壓力降低，反應(yīng)激發(fā)程度也隨之減弱；另外，藥型罩的壓垮速度降低，在罩壁微元自身擠壓匯合形成射流的過程中，侵徹體內(nèi)部壓力降低。

從以上結(jié)果和分析可以看出，含能藥型罩在射流成型過程中的釋能效率大約在29.7%～66.7%。筆者以為，這一數(shù)據(jù)與實際值會存在一定誤差，主要有以下兩方面原因：首先，在上述有關(guān)射流釋能行為的分析中已經(jīng)提到，侵徹體的尾裙及杵體直徑較大，且速度較低，無法全部跟隨射流穿過侵孔，進入容器內(nèi)部，部分含能材料會遺留在蓋板外發(fā)生爆燃反應(yīng)；另外，當(dāng)測試罐內(nèi)超壓達到最大值時，含能射流的化學(xué)反應(yīng)并沒有完全結(jié)束，在泄壓過程中仍有少量含能材料會繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，部分能量甚至?xí)跍y試罐外釋放出來，而試驗分析并未考慮超壓峰值后含能射流的釋能，因此本研究所獲得的射流釋能應(yīng)低于實際值。

5 結(jié)論

設(shè)計了PTFE 基含能藥型罩聚能裝藥射流釋能測試系統(tǒng)，測試結(jié)果揭示了含能射流與惰性射流的釋能差異，獲得含能射流釋能隨藥型罩W 含量及質(zhì)量的變化規(guī)律，并建立射流釋能計算模型，主要研究成果如下：

（1）含能射流在成型過程中會發(fā)生爆燃反應(yīng)，形成超壓效應(yīng)。對于試驗設(shè)計方案來說，含能射流在25 L容器中形成的準(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值介于0.78～1.06 MPa，與傳統(tǒng)鋁射流的0.20 MPa 相比，超壓效果顯著。

（2）含能藥型罩射流釋能受W 含量影響，對于30 g 含能藥型罩，當(dāng)W 含量由0%提高到70%時，射流釋能量從53.8 kJ 下降到了36.3 kJ，射流釋能效率從29.7%上升到了66.7%。

（3）含能藥型罩射流釋能受藥型罩質(zhì)量影響，對于PTFE/Ti 藥型罩，當(dāng)質(zhì)量由13.0 g 增加到30.0 g 時，射流釋能量從39.4 kJ 上升到了53.8 kJ，射流釋能效率從50.2%下降到了29.7%。