疏松態(tài)ZrH2的沖擊壓縮特性研究

代永富，薛 冰,2，唐運(yùn)彬，蒲傳金,2，肖定軍,2，林謀金,2

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽(yáng) 621010)

1 引言

金屬氫化物作為極具潛力的含能添加劑，被應(yīng)用于混合炸藥和活性破片中，并得到了廣泛的關(guān)注。Selezene等[1]研究了鋁粉、鎂粉以及它們的金屬氫化物對(duì)硝酸銨、黑索金(RDX)及奧克托今(HMX)爆轟參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)含金屬氫化物粉末炸藥的爆速比含相應(yīng)金屬粉末的炸藥要高。程揚(yáng)帆[2-4]較早地開展了金屬氫化物在乳化炸藥中的應(yīng)用研究，結(jié)果表明在乳化炸藥中引入氫可以有效提高爆炸威力，鉛柱壓縮實(shí)驗(yàn)表明，氫化鎂能夠使乳化炸藥的猛度提高25%左右。薛冰等[5-7]利用爆炸實(shí)驗(yàn)手段研究了TiH2、MgH2對(duì)RDX爆炸性能的影響，結(jié)果表明部分金屬氫化物能提高RDX基混合炸藥的爆炸沖擊波性能和爆炸能量。同時(shí)，金屬氫化物也常被應(yīng)用于活性材料中，能夠提高材料強(qiáng)度以及參與反應(yīng)時(shí)提高能量釋放水平。于鐘深等[8-11]首次將TiH2添加到Al/PTFE中開展力學(xué)性能、釋能特性等研究，結(jié)果表明：TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)材料壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值166.4 MPa，比Al/PTFE強(qiáng)度提高6.8%；與Al/PTFE相比，含TiH2試件反應(yīng)火光周圍有明顯的火星噴濺現(xiàn)象。張軍等[12-13]將ZrH2添加到Al/PTFE中開展準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、落錘沖擊和高速撞靶實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的ZrH2能提高Al/PTFE反應(yīng)材料的力學(xué)強(qiáng)度，使其屈服強(qiáng)度與失效應(yīng)力分別達(dá)到22.2 MPa與93.3 MPa，也可降低材料撞擊感度，使其點(diǎn)火激發(fā)能增加1.93 J；且Al/ZrH2/PTFE穿靶孔徑為Al/PTFE的1.5倍。上述研究均表明金屬氫化物作為含能添加劑應(yīng)用潛力巨大。

為了研究金屬氫化物在爆轟高壓下的沖擊響應(yīng)，以及含金屬氫化物活性破片的沖擊釋能行為，有必要對(duì)其沖擊壓縮特性進(jìn)行研究。金屬氫化物通常作為粉末被添加到其他物質(zhì)中，由于自身具有反應(yīng)特性，所以在其應(yīng)用過(guò)程中一般采用累積疊軋法和粉末模壓成型法，從而制得具有一定孔隙率的混合物。因此，本研究以二元金屬氫化物ZrH2為研究對(duì)象，利用平板撞擊實(shí)驗(yàn)研究其疏松態(tài)沖擊絕熱線，同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同沖擊絕熱線計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比研究，并計(jì)算了不同孔隙率ZrH2的沖擊絕熱線。通過(guò)分析沖擊回收產(chǎn)物，研究了沖擊作用下ZrH2的物相和形貌變化。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用純度為99.9%的ZrH2粉末(錦州市金屬材料研究所)，通過(guò)激光粒度儀(LS13320)對(duì)其粒度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。ZrH2粉末的粒徑范圍為0.4～63.4 μm，平均粒徑(D50)為8.5 μm，其中粒徑為13.0 μm的ZrH2顆粒含量最高。本實(shí)驗(yàn)使用粉末模壓成型工藝，軸向壓力為212 MPa和120 MPa，分別制得孔隙率P=20%和P=35%的樣品，2組樣品的平均初始密度分別為4.460±0.022 g·cm-3和3.574±0.026 g·cm-3，直徑d為26.34±0.040 mm，ZrH2樣品如圖2所示。

圖1 ZrH2粉末的粒度分布曲線

圖2 ZrH2壓片樣品照片

2.2 平板撞擊實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用一級(jí)輕氣炮進(jìn)行平板撞擊實(shí)驗(yàn)，圖3為平板撞擊實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。為調(diào)整碰撞壓力，飛片材料選取LY12鋁、無(wú)氧銅(OFHC)和鎢(W)，實(shí)驗(yàn)飛片沖擊速度范圍為191～873 m/s。利用激光位移干涉儀(displacement interferometer system for any reflector，DISAR)測(cè)量自由面速度，通過(guò)工裝布置了4個(gè)電探針和2個(gè)光纖探頭，分別記錄沖擊波到達(dá)ZrH2樣品前、后表面的時(shí)刻，以此來(lái)計(jì)算沖擊波速度。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)處理

為了獲得樣品自由面速度歷程，首先將DISAR測(cè)試獲得的原始頻域干涉信號(hào)變換為時(shí)域信號(hào)，典型處理結(jié)果如圖4(a)和4(b)所示，提取時(shí)頻信號(hào)的脊線后再通過(guò)式(1)可計(jì)算得到ZrH2樣品的自由面速度剖面，如圖4(c)所示，結(jié)果表明191 m·s-1沖擊速度下未出現(xiàn)粉末壓潰行為；而當(dāng)沖擊速度為401 m·s-1時(shí)，速度剖面出現(xiàn)粉末壓潰導(dǎo)致的速度拐點(diǎn)為242 m·s-1，說(shuō)明P=20%的ZrH2在沖擊壓力為1.121 GPa時(shí)開始出現(xiàn)壓潰行為。

(1)

式中：u(t)為某時(shí)刻的自由面速度；λ=1 550 nm為激光波長(zhǎng)；fd(t)為某時(shí)刻的多普勒頻移。

圖4 ZrH2樣品的時(shí)頻圖和自由面速度剖面圖(P=20%)Fig.4 Time-frequency diagram and free surface velocity profile of ZrH2 samples(P=20%)

在測(cè)量不同孔隙率ZrH2的Hugoniot關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，不確定度主要來(lái)源于沖擊波速度Us和自由面速度uFS測(cè)量，其中沖擊波速度由DISAR和電探針組合的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得，樣品自由面速度由DISAR直接測(cè)得。電探針測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間分辨率可達(dá)到納秒級(jí)，其響應(yīng)時(shí)間約為20～30 ns，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的沖擊波傳播時(shí)間最小為1.7 μs，因此測(cè)試不確定度小于2%；DISAR系統(tǒng)時(shí)間分辨率可達(dá)50 ps，且響應(yīng)較快，其測(cè)速的不確定度相比于電探針可以忽略不計(jì)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究對(duì)2組不同孔隙率的ZrH2樣品分別進(jìn)行了平板撞擊實(shí)驗(yàn)，孔隙率P=20%的ZrH2樣品共進(jìn)行了4次平板撞擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果線性度較好；孔隙率P=35%的ZrH2樣品平板撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果較離散，因此進(jìn)行了7次沖擊加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

平板撞擊實(shí)驗(yàn)的沖擊壓力范圍為0.518～3.236 GPa。通過(guò)最小二乘法對(duì)ZrH2樣品US-up實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果分別為:P=20%，US=1.879+1.639up(R2=0.97)；P=35%，US=0.666+2.610up(R2=0.97)，如圖5—圖6所示。

圖5 ZrH2的US-up關(guān)系(P=20%)

圖6 ZrH2的US-up關(guān)系(P=35%)

3.3 沖擊絕熱線預(yù)測(cè)

王青松[14]將Batsanov等[15]建立的理論方法和Mie-Grüneisen物態(tài)方程進(jìn)行拓展，建立了計(jì)算多孔材料沖擊絕熱線的半經(jīng)驗(yàn)方法。該方法只需已知材料在某種初始狀態(tài)下的沖擊絕熱線，即可計(jì)算出其他任意初始狀態(tài)下的沖擊絕熱線，彌補(bǔ)了目前幾種常用的計(jì)算疏松材料沖擊絕熱線理論方法需以密實(shí)材料沖擊絕熱線為參考的局限性。

假定標(biāo)準(zhǔn)材料的Hugoniot關(guān)系中沖擊波速度US和粒子速度up為線性關(guān)系[16]，即:

US=C0+λup

(2)

式中:C0、λ為Hugoniot參數(shù)。王青松提出的半經(jīng)驗(yàn)方法為：

(3)

式中：up1、up2為2種不同初始狀態(tài)的疏松材料的粒子速度，m=V2/V1，V1、V2為2種不同初始狀態(tài)的疏松材料的比容，k為空氣的多方指數(shù)(空氣的k=1.4)，ρ1為標(biāo)準(zhǔn)材料的初始密度，若其Hugoniot參數(shù)是已知的，則可以推導(dǎo)出任意初始狀態(tài)疏松材料的p-up關(guān)系。

由Mie-Grüneisen物態(tài)方程和US-up關(guān)系得到其他初始狀態(tài)疏松材料的Hugoniot關(guān)系：

(4)

式中：φ=1-V2/V1，γ0為標(biāo)準(zhǔn)材料的Grüneisen系數(shù)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)材料的初始比容、Grüneisen系數(shù)以及Hugoniot參數(shù)(C0和λ)已知時(shí)，可直接計(jì)算出疏松材料(初始比容為V2)的Hugoniot參數(shù)。為獲得Grüneisen系數(shù)γ，可使用下列近似方程獲得[17]：

(5)

式中：V為相應(yīng)材料的比容；α為體積熱膨脹系數(shù)；Cv為定容熱容；K為體積模量。ZrH2固體的比容V=0.178 cm3/g，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果有[18]，α=5.487 3×10-5K-1，Cv=67.136 J·mol-1·K-1，K=119.59 GPa。將上述數(shù)據(jù)代入方程(5)，得到ZrH2固體的Grüneisen系數(shù)γ=1.623。為了得到疏松態(tài)ZrH2的Grüneisen系數(shù)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式γ/V=γ0/V0進(jìn)行估算。

首先以孔隙率為20%的ZrH2樣品作為標(biāo)準(zhǔn)材料，由γ/V=γ0/V0計(jì)算得到γ0,20%=2.044。根據(jù)式(3)、式(4)，利用孔隙率P=20%的ZrH2樣品Hugoniot關(guān)系計(jì)算孔隙率P=35%的ZrH2樣品沖擊絕熱線。然后進(jìn)行反向計(jì)算，以P=35%的ZrH2樣品為標(biāo)準(zhǔn)材料，由γ/V=γ0/V0計(jì)算得到γ0,35%=2.550。根據(jù)式(3)、式(4)，利用孔隙率P=35%的ZrH2樣品的Hugoniot關(guān)系計(jì)算孔隙率P=20%的ZrH2樣品的沖擊絕熱線。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7、圖8所示。

對(duì)比結(jié)果表明，當(dāng)以低孔隙率(P=20%)作為標(biāo)準(zhǔn)材料計(jì)算高孔隙率的沖擊絕熱線時(shí)，由式(3)計(jì)算得到孔隙率P=35%的ZrH2樣品的US-up及p-up關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明根據(jù)孔穴塌縮能量建立的疏松材料沖擊絕熱線預(yù)測(cè)方法具有較好的適用性，基于此進(jìn)一步預(yù)測(cè)了ZrH2孔隙率分別為25%、30%、40%、45%、50%時(shí)的US-up關(guān)系和p-up關(guān)系，如圖9所示。但由式(4)計(jì)算得到的ZrH2樣品沖擊絕熱線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，其可能原因?yàn)镚rüneisen系數(shù)的兩次近似計(jì)算，使其與疏松態(tài)ZrH2樣品真實(shí)Grüneisen系數(shù)相差較大，且計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)材料(P=20%)與預(yù)測(cè)材料的孔隙率相差過(guò)大，從而降低了式(4)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖7 P=35%時(shí)ZrH2的沖擊絕熱線計(jì)算結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)材料P=20%)

圖8 P=20%時(shí)ZrH2的沖擊絕熱線計(jì)算結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)材料P=35%)

圖9 不同孔隙率ZrH2樣品沖擊絕熱線曲線

以高孔隙率(P=35%)作為標(biāo)準(zhǔn)材料計(jì)算低孔隙率(P=20%)的沖擊絕熱線，計(jì)算得到的Hugoniot參數(shù)C0與實(shí)驗(yàn)相差不大，但λ的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差達(dá)89%。這是因?yàn)樵诒敬螌?shí)驗(yàn)中，P=35%樣品的沖擊加載壓力較低，在此沖擊壓力下反向預(yù)測(cè)P=20%樣品所得到的粒子速度遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)值。而材料在低壓區(qū)的沖擊特性受影響因素較多，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)的沖擊絕熱線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，為了進(jìn)行有效的反向預(yù)測(cè)，則需要更高的沖擊加載壓力。

3.4 沖擊產(chǎn)物回收與分析

利用一級(jí)輕氣炮對(duì)P=35%的ZrH2樣品進(jìn)行沖擊回收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的飛片和回收艙均為無(wú)氧銅材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)撞擊速度為800 m/s，由阻抗匹配計(jì)算得到撞擊入射壓力為16.2 GPa。圖10為ZrH2沖擊回收樣品的XRD分析結(jié)果，表明沖擊后的ZrH2沒有發(fā)生明顯的物相變化。但沖擊后的ZrH2粉末粒度和形貌發(fā)生了變化，由粒度分析結(jié)果(圖11)可以發(fā)現(xiàn)，沖擊后的ZrH2粒度變大，原因是ZrH2粉末在沖擊加載作用下，發(fā)生了團(tuán)聚和相互嵌合，雖然測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行了超聲處理，但其能量較小，無(wú)法使樣品有效分散，所以測(cè)得的ZrH2粒度變大。由SEM分析結(jié)果可以看到ZrH2顆粒表面有明顯的裂縫和破碎現(xiàn)象，且有較多小顆粒團(tuán)聚物，說(shuō)明在沖擊加載的過(guò)程中發(fā)生了沖擊細(xì)化和團(tuán)聚，如圖12所示。

圖10 ZrH2(P=35%)沖擊回收產(chǎn)物XRD曲線

圖11 沖擊后ZrH2(P=35%)粒度分布曲線

圖12 ZrH2(P=35%)沖擊回收前(左1)、后(右2、3)SEM掃描電鏡圖片

4 結(jié)論

1) 利用一級(jí)輕氣炮進(jìn)行了平板撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了孔隙率分別為20%和35%ZrH2樣品的沖擊絕熱線，依次為：P=20%，US=1.879+1.639up(R2=0.97)；P=35%，US=0.666+2.610up(R2=0.97)。

2) 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)2種沖擊絕熱線計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)基于孔穴塌縮理論建立的疏松材料沖擊絕熱線預(yù)測(cè)方法具有較好的適用性，基于此對(duì)ZrH2孔隙率分別為25%、30%、40%、45%及50%時(shí)的沖擊絕熱線進(jìn)行了計(jì)算。

3) 沖擊回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在入射壓力為16.2 GPa時(shí)，孔隙率為35%的ZrH2樣品未發(fā)生明顯物相變化，但有明顯的破碎細(xì)化和團(tuán)聚現(xiàn)象。