氟聚物基活性材料動態(tài)壓剪實(shí)驗研究

葛超， 曲卓君， 王晉， 胡蝶， 王海福

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 北京 100081)

0 引言

氟聚物基活性材料是一類以含氟聚合物、活性金屬為基礎(chǔ)組分，添加其他功能組分，經(jīng)混合、冷壓、燒結(jié)等工藝制備而成的含能材料，具有高機(jī)械強(qiáng)度、高能量密度、高鈍感安全的典型特征。通常情況下，處于惰性亞穩(wěn)態(tài)，但在高應(yīng)變率強(qiáng)沖擊加載下，氟聚物基體和活性金屬間會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，快速釋放大量化學(xué)能，導(dǎo)致材料整體發(fā)生爆燃。以上獨(dú)特材料特性和動力學(xué)響應(yīng)行為，使氟聚物基活性材料應(yīng)用于殺爆戰(zhàn)斗部破片、聚能戰(zhàn)斗部藥型罩、侵徹戰(zhàn)斗部桿芯等毀傷元，可通過動能與爆炸化學(xué)能時序聯(lián)合毀傷機(jī)理和先穿后爆毀傷模式，為大幅提升戰(zhàn)斗部毀傷威力開辟新途徑。

針對聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)活性材料，基于動/靜態(tài)壓縮實(shí)驗、跨尺度數(shù)值仿真等手段，改變材料配比、制備工藝，國內(nèi)外學(xué)者已開展了較為系統(tǒng)研究。但作為典型聚合物基復(fù)合材料，在表征其力學(xué)性能時，動態(tài)加載下的溫度效應(yīng)扮演著重要重要角色，尤其是應(yīng)用于毀傷元作用目標(biāo)高應(yīng)變率加載條件下，溫度及熱效應(yīng)對材料力學(xué)性能的影響，更是氟聚物基活性材料設(shè)計、工程應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文針對典型PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%/26.5%)氟聚物基活性材料，開展不同應(yīng)變率、不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)壓縮實(shí)驗；基于不同預(yù)設(shè)剪切帶寬度的帽狀試樣，開展不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓剪實(shí)驗，系統(tǒng)分析氟聚物基活性材料力學(xué)特性，為氟聚物基活性材料設(shè)計及應(yīng)用提供支撐。

1 實(shí)驗方法

1.1 材料制備

PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%/26.5%)活性材料制備過程主要包括組分混合、模壓成型、燒結(jié)硬化3個步驟。首先，在50 ℃真空條件下，對PTFE和Al粉干燥24 h，充分干燥的組分粉體隨后通過三軸剪切混合設(shè)備進(jìn)行干混，獲得均勻性良好的組分混合粉體。然后，在70～80 MPa壓力下，通過13 mm×13 mm 模具對組分混合粉體進(jìn)行初步模壓，保壓時間10 min，并進(jìn)一步在220～250 MPa壓力下，對初步模壓成型的材料試樣進(jìn)行冷等靜壓制10 min，獲得模壓成型試樣。最后，在惰性氛保護(hù)下，通過高溫?zé)Y(jié)設(shè)備，經(jīng)一定升溫、保溫、降溫歷程，獲得燒結(jié)硬化氟聚物基活性材料試樣。燒結(jié)溫度時間歷程曲線如圖1所示，材料試樣如圖2所示。

圖1 燒結(jié)溫度時間歷程曲線Fig.1 Time history of the sintering cycle

圖2 PTFE/Al活性材料試樣Fig.2 PTFE/Al specimens

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓縮實(shí)驗

PTFE/Al活性材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試參照 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1039—1992，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗室環(huán)境條件下(溫度 23 ℃±2 ℃，相對濕度30%～40%)進(jìn)行測試，試樣采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸10 mm×10 mm，加載速度為0.6 mm/min，對應(yīng)加載應(yīng)變率為0.001 s。

(1)

(2)

(3)

式中：、、分別為壓桿彈性模量、聲速和橫截面積；為預(yù)設(shè)剪切帶截面積，通過剪切帶材料圓環(huán)內(nèi)、外截面積取平均值計算；()、()分別為透射和反射應(yīng)變；為試樣厚度。

1.3 動態(tài)壓剪實(shí)驗

PTFE/Al活性材料動態(tài)壓剪實(shí)驗基于SHPB測試系統(tǒng)和帽狀試樣開展。通過在試樣中預(yù)設(shè)模擬剪切帶，動態(tài)加載條件下，模擬剪切帶內(nèi)材料將處于純剪狀態(tài)。實(shí)驗中，帽狀試樣上端直徑=5 mm，高度為=4 mm，底端外徑=10 mm，底端高度=3 mm；剪切帶高度=3 mm，預(yù)設(shè)寬度分別為500 μm、300 μm、100 μm，對應(yīng)試樣底端內(nèi)徑分別為60 mm、56 mm和52 mm。3種剪切帶寬度的試樣分別表示為S1、S2和S3，如圖3所示。

圖3 帽狀試樣結(jié)構(gòu)及實(shí)物Fig.3 Structure and photo of the hat-shaped specimens

(4)

(5)

(6)

由于氟聚物基活性材料動態(tài)加載條件下可能產(chǎn)生點(diǎn)火反應(yīng)，因此設(shè)計箱體進(jìn)行防護(hù)，同時進(jìn)行試樣回收。動態(tài)壓縮及壓剪測試過程通過高速攝影系統(tǒng)記錄，測試后回收試樣微觀結(jié)構(gòu)及形貌通過掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征。動態(tài)壓縮及壓剪實(shí)驗方法如圖4所示。圖4中()為入射應(yīng)變。

圖4 動態(tài)壓縮及壓剪實(shí)驗方法Fig.4 Configuration of dynamic compression and compression-shear tests

2 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性

針對PTFE/Al活性材料試樣，開展3組準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測試，準(zhǔn)靜態(tài)真實(shí)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，材料變形可分為兩個主要階段：彈性變形階段和塑性變形階段。在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力隨應(yīng)變近似線性快速上升，可通過彈性模量表征。彈性變形末段材料發(fā)生屈服，隨后進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變上升減緩，體現(xiàn)出一定應(yīng)變硬化效應(yīng)，可通過硬化模量表征。至壓縮至真實(shí)應(yīng)變1.2，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線未發(fā)生下降，表明材料未發(fā)生顯著破壞失效，材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)列于表1。

圖5 PTFE/Al準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.5 Quasi-static stress-strain curves of PTFE/Al

表1 PTFE/Al 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)

3 動態(tài)壓縮力學(xué)特性

不同應(yīng)變率及溫度條件下的PTFE/Al活性材料動態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線分別如圖6(a)和圖6(b)所示。在應(yīng)變率3 600～7 500 s范圍內(nèi)，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線均呈典型彈塑性特征，由彈性階段、塑性階段和卸載階段組成。在彈性階段，不同應(yīng)變率下曲線基本重合，且屈服點(diǎn)接近。材料屈服后，應(yīng)力隨應(yīng)變快速升高，體現(xiàn)出應(yīng)變硬化效應(yīng)。同時，應(yīng)變率越高，材料強(qiáng)度越高，塑性段應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率越大，即硬化模量越大，表明材料具有顯著應(yīng)變率硬化效應(yīng)。

圖6 PTFE/Al動態(tài)壓縮應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.6 Dynamic compression stress-strain curves of PTFE/Al

加載應(yīng)變率4 000 s，溫度分別為20 ℃、100 ℃、150 ℃和200 ℃條件下，隨溫度升高，材料屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬化模量等力學(xué)參量均顯著下降，表明PTFE/Al活性材料具有顯著的熱軟化效應(yīng)。

4 動態(tài)壓剪力學(xué)特性

在剪切應(yīng)變率分別為21 000 s和31 000 s條件下，S1試樣動態(tài)變形過程如圖7所示。入射脈沖傳播至壓桿/試樣端面后，部分入射波傳入試樣并對試樣進(jìn)行加載。隨入射波傳至試樣上端圓柱上表面，預(yù)設(shè)剪切帶內(nèi)的材料開始發(fā)生純剪變形。進(jìn)一步壓縮作用下，剪切帶內(nèi)剪應(yīng)力集中及變形愈發(fā)顯著，局部溫升及變形導(dǎo)致材料發(fā)生破壞，同時試樣下端圓柱發(fā)生鐓粗變形。加載應(yīng)變率進(jìn)一步增加條件下，剪切帶內(nèi)熱效應(yīng)及溫升局部化將進(jìn)一步加劇，材料快速失效破壞將導(dǎo)致帽狀試樣上端被整體剪切脫落，下端碎裂飛散。不同加載應(yīng)變率下，帽狀試樣變形及破壞情況如圖8所示。

圖7 S1試樣動態(tài)變形過程Fig.7 Deformation process of S1 specimen

圖8 不同應(yīng)變率下帽狀試樣變形及破壞情況Fig.8 Deformation and failure of hat-shaped specimens under different strain rates

動態(tài)壓剪條件下，3種不同剪切帶寬度PTFE/Al活性材料試樣剪切應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖9所示。從圖中可以看出，在不同加載條件下，剪切應(yīng)力- 應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)相似變化趨勢，剪切應(yīng)力首先隨剪切應(yīng)變快速升高至最大值，隨后快速下降，且可劃分為彈性段、塑性段、失效段3個階段。對S1試樣，彈性段基本重合，但對S2和S3試樣，彈性段散布逐漸增加，主要由預(yù)設(shè)剪切帶寬度差異導(dǎo)致。彈性變形后，3種試樣經(jīng)短暫塑性變形，在高應(yīng)變率剪切加載下，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線快速下降至最低值。隨后剪切應(yīng)力- 應(yīng)變曲線又有所上升，主要是由壓桿與帽狀試樣下端短柱肩部接觸造成。隨加載應(yīng)變率增加，材料剪切強(qiáng)度增加，表明PTFE/Al活性材料有剪應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。同時對比可知，S3試樣應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散布及振蕩最為顯著，主要是由S3試樣預(yù)設(shè)剪切帶寬度最小，動態(tài)加載下局部失穩(wěn)變形及熱效應(yīng)導(dǎo)致。剪切應(yīng)力- 應(yīng)變曲線與試樣動態(tài)響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系如圖10所示。在剪應(yīng)變率31 000 s條件下，隨預(yù)設(shè)剪切帶寬度減小，材料剪切失效應(yīng)力、應(yīng)變均顯著減小，主要原因在于，PTFE/Al活性材料熱傳導(dǎo)系數(shù)低，預(yù)設(shè)剪切帶寬度越小，動態(tài)加載下局部變形導(dǎo)致的絕熱溫升越顯著，體現(xiàn)了聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)。PTFE/Al剪切材料參數(shù)列于表2。

圖9 PTFE/Al動態(tài)壓剪應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.9 Shear stress-strain curves of PTFE/Al

圖10 應(yīng)力- 應(yīng)變曲線與試樣變形對應(yīng)關(guān)系Fig.10 Specimen deformation and the corresponding shear stress-strain curve section

表2 PTFE/Al動態(tài)剪切材料參數(shù)

不同加載應(yīng)變率、不同溫度下動態(tài)壓縮、壓剪測試所得PTFE/Al材料強(qiáng)度對比如圖11所示。對動態(tài)壓縮而言，隨應(yīng)變率增加，材料抗壓強(qiáng)度顯著增加。對比之下，隨測試溫度從20 ℃升高至200 ℃，材料抗壓強(qiáng)度顯著降低。對于帽狀試樣壓剪測試而言，預(yù)設(shè)剪切帶寬度一定時，剪切應(yīng)變率增加，材料剪切失效強(qiáng)度增加，但隨預(yù)設(shè)剪切帶寬度減小，材料整體剪切破壞強(qiáng)度顯著降低。以上對比均表明，氟聚物基活性材料是一種典型具有應(yīng)變率硬化效應(yīng)、溫度軟化效應(yīng)的聚合物基復(fù)合材料。在力學(xué)性能尺寸效應(yīng)影響下，預(yù)設(shè)剪切帶寬度越小，高應(yīng)變率動態(tài)加載下局部熱效應(yīng)及熱軟化效應(yīng)越顯著，從而導(dǎo)致材料剪切強(qiáng)度不斷減小。

圖11 不同測試條件下PTFE/Al抗壓強(qiáng)度Fig.11 Compressive strength of PTFE/Al under different test methods

5 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

動態(tài)壓剪實(shí)驗后，選擇帽狀試樣失效破壞及斷口處4個位置，通過SEM進(jìn)行表征，如圖12所示。首先，觀察試樣斷口位置可發(fā)現(xiàn)3類典型特征：沿剪切方向同向排布的條狀PTFE基體、未變形的金屬鋁顆粒和致密的PTFE纖維網(wǎng)絡(luò)。初始加載階段，在壓縮波作用下，帽狀試樣上端與下部圓柱間產(chǎn)生相對運(yùn)動，隨后導(dǎo)致試樣在預(yù)設(shè)剪切帶部位發(fā)生破壞，且沿加載方向形成排列整齊的條狀PTFE。隨加載過程繼續(xù)，加載脈沖逐漸達(dá)到幅值，剪切帶區(qū)域活性材料高速局部變形產(chǎn)生熱量并不斷累積，導(dǎo)致材料發(fā)生絕熱溫升，局部熱軟化最終導(dǎo)致材料進(jìn)一步發(fā)生破壞并形成PTFE纖維網(wǎng)絡(luò)。預(yù)設(shè)剪切帶寬度越小，動態(tài)壓剪作用下局部絕熱溫升、熱軟化效應(yīng)越顯著，材料剪切失效強(qiáng)度越低，與實(shí)驗結(jié)果一致。

圖12 預(yù)設(shè)剪切帶破壞形貌Fig.12 Microscale structure of the fracture surface

從毀傷模式角度看，則主要包括氟聚物基體/金屬顆粒脫粘和基體材料斷裂破壞。但在圖12中，僅可觀察到少量氟聚物基體/金屬顆粒脫粘現(xiàn)象，表明氟聚物基體材料破壞是導(dǎo)致材料整體破壞的主要原因。

6 結(jié)論

本文通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、不同應(yīng)變率和不同溫度動態(tài)壓縮、基于帽狀試樣的動態(tài)壓剪實(shí)驗，系統(tǒng)分析了PTFE/Al活性材料動力學(xué)響應(yīng)行為及力學(xué)性能研究。得出以下主要結(jié)論：

1)準(zhǔn)靜態(tài)(10s)及不同應(yīng)變率(3×10～7×10s)、不同溫度(20 ℃，100 ℃，150 ℃，200 ℃)條件下的動態(tài)壓縮實(shí)驗表明，PTFE/Al活性材料是一種典型的彈塑性材料，具有顯著應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng)。在20 ℃條件下，隨應(yīng)變率從3 600 s增加至7 500 s，材料抗壓強(qiáng)度從 72.03 MPa 增加至114.85 MPa。在4 000 s應(yīng)變率條件下，隨溫度從20 ℃升高至200 ℃，材料抗壓強(qiáng)度從85.75 MPa降低至42.16 MPa。

2)基于帽狀試樣的動態(tài)壓剪實(shí)驗表明，預(yù)設(shè)剪切帶寬度從500 μm減小至100 μm，動態(tài)加載下，預(yù)設(shè)剪切帶內(nèi)局部熱效應(yīng)及溫升影響效應(yīng)愈發(fā)顯著，材料剪切強(qiáng)度從49.45 MPa降低至19.80 MPa，且剪切應(yīng)力- 應(yīng)變曲線振蕩及散布增加，體現(xiàn)出氟聚物基活性材料力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)。

3)動態(tài)剪切加載后，在預(yù)設(shè)剪切帶上端和下端可觀察到由初始剪切剪切加載造成的沿加載方向排布的條狀PTFE，在預(yù)設(shè)剪切帶中部可觀察到由局部溫升導(dǎo)致的致密PTFE纖維網(wǎng)絡(luò)，證明了氟聚物基活性材料力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)，揭示了預(yù)設(shè)剪切帶寬度對材料剪切強(qiáng)度影響機(jī)理。