周 杰, 何 勇, 何 源, 王傳婷, 楊相禮, 季 鋮

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

氟聚物基反應(yīng)材料是一種沖擊引發(fā)類反應(yīng)材料[1](Impact-initiated RMs),由高氟含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>70%)聚合物和活性金屬材料以特定工藝制備而成,最早由Montgomery[2]以反應(yīng)破片的形式在專利中提出。由于其具有高能量水平、獨(dú)特的能量釋能特性并在準(zhǔn)靜態(tài)條件下表現(xiàn)不敏感等優(yōu)點(diǎn)在軍事上有巨大的應(yīng)用前景[3-4],主要以反應(yīng)破片和含能藥型罩的形式應(yīng)用于高效毀傷戰(zhàn)斗部上,在對(duì)目標(biāo)的毀傷過程中,材料因受沖擊作用引發(fā)化學(xué)反應(yīng),釋放大量能量并引起爆炸、燃燒等附加二次毀傷效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多重毀傷[5]。

針對(duì)Al/PTFE類氟聚物基反應(yīng)材料的制備工藝及力學(xué)性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多研究。Herbold[6],Cai[7-8]和徐松林等[9-12]分別研究了材料顆粒尺寸、級(jí)配關(guān)系、材料配方及制備工藝等因素對(duì)Al/PTFE材料力學(xué)性能、失效行為、反應(yīng)閾值的影響規(guī)律。任會(huì)蘭[13]和Wang[14]采用分離式霍普金森壓桿加載方法研究了W的含量對(duì)Al/PTFE/W反應(yīng)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、沖反應(yīng)閾值和反應(yīng)釋能總量的影響。Feng[15]首次在Al/PTFE材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中觀察到反應(yīng)的現(xiàn)象,通過計(jì)算推出準(zhǔn)靜態(tài)條件下材料的反應(yīng)不是由塑性變形溫升等熱因素引發(fā)的,并提出了一種基于剪切效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。

在沖擊釋能實(shí)驗(yàn)研究手段方面,Ames[16]提出用準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器定量測(cè)試沖擊加載條件下反應(yīng)材料能量釋放總量,并對(duì)反應(yīng)材料的沖擊反應(yīng)過程進(jìn)行了熱力學(xué)分析; 在此基礎(chǔ)上,Zhang[17]和Wang[18-19]利用準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器開展了對(duì)不同類型反應(yīng)材料沖擊加載試驗(yàn),主要研究了沖擊速度和噴射效應(yīng)對(duì)反應(yīng)材料反應(yīng)效率、能量釋放特性的影響; Xiong[20]和Ji[21]等利用準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器研究了添加物、制備工藝等對(duì)Al/Ni復(fù)合材料沖擊反應(yīng)性能的影響規(guī)律。

但關(guān)于金屬添加物以及PTFE基體材料的粒徑對(duì)反應(yīng)材料力學(xué)性能的影響并由此引起反應(yīng)材料沖擊反應(yīng)程度的變化,相關(guān)報(bào)道較少,因此本課題組設(shè)計(jì)了不同W含量(0%,30%,65%)、不同Al顆粒粒徑(13,45,75 μm)以及不同PTFE粒徑(25,160 μm)的氟聚物基反應(yīng)材料,采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)獲取其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能,并利用準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器對(duì)其在不同速度下的沖擊釋能效應(yīng)進(jìn)行了研究,測(cè)得了容器內(nèi)部沖擊反應(yīng)壓力-時(shí)間歷程曲線,結(jié)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能初步分析了Al顆粒粒徑及PTFE材料粒徑對(duì)反應(yīng)材料的沖擊反應(yīng)釋能特性的影響規(guī)律。

2 反應(yīng)材料試件制備

2.1 反應(yīng)材料方案

主要考慮材料配比、Al顆粒粒徑以及PTFE粒徑對(duì)反應(yīng)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能及沖擊反應(yīng)程度的影響規(guī)律,因此在零氧平衡的Al/PTFE(26.5/73.5)反應(yīng)材料基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了三種不同W的含量(0%,30%,65%)、三種不同的Al顆粒粒徑(13,45,75 μm)以及兩種不同的PTFE粒徑(25,160 μm)反應(yīng)材料,具體的材料方案及相關(guān)參數(shù)見表1,上述所有方案中,W的粒徑保持不變(200目,75 μm)。

表1 反應(yīng)材料的配方及相關(guān)參數(shù)

Table 1 Formulations and related parameters of reactive materials

formulaNo．massratio/%(Al/PTFE/W)materialsizeTMD/g·cm-3actualdensity/g·cm-31#26．5/73．5/02#18．55/51．45/303#9．28/25．72/65Al(200mesh，75μm)PTFE(90mesh，160μm)2．3582．3203．2003．0965．4875．1074#5#6#18．55/51．45/30Al(1000mesh，13μm)Al(325mesh，45μm)PTFE(500mesh，25μm)3．2003．0663．0473．159

Note: TMD is theoretical mass density.

2.2 試件成型過程

將鋁粉、聚四氟乙烯粉及鎢粉按一定質(zhì)量配比(表1)混合,并在行星球磨機(jī)上以40 r·min-1的轉(zhuǎn)速球磨1 h,得到混合均勻的反應(yīng)材料粉末,并通過模具冷壓成Φ10 mm×15 mm(如圖1所示)和Φ10 mm×10 mm兩種尺寸的柱形反應(yīng)材料試件。參照文獻(xiàn)[3]中的燒結(jié)溫度控制曲線(如圖2所示)進(jìn)行真空燒結(jié),升溫速率60 ℃·h-1; 燒結(jié)溫度380 ℃,保溫2 h; 并在降溫至327 ℃時(shí)保溫2 h; 降溫方式為隨爐冷卻。其中,沖擊反應(yīng)釋能試驗(yàn)的參試試件為Φ12 mm×12 mm的反應(yīng)破片(如圖3所示),是通過將Φ10 mm×10 mm反應(yīng)材料裝入1 mm厚鋼殼體后得到的,以保證其侵徹準(zhǔn)密閉容器前層薄板時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性。

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)試件

Fig.1 Samples for quasi-static compression experiments

圖2 燒結(jié)溫度的控制曲線

Fig.2 The curve of controlling the sinter temperature

圖3 反應(yīng)破片、彈托及測(cè)試彈

Fig.3 Reactive fragment, sabot and test bullet

3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

壓縮實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變率為1×10-3s-1,并根據(jù)所選定的應(yīng)變率和壓縮試件的軸向尺寸(約15 mm)得出材料試驗(yàn)機(jī)的壓縮速度(約0.9 mm·min-1),每種材料方案至少進(jìn)行三組有效試驗(yàn)。不同反應(yīng)材料試件的典型變形結(jié)果如圖 4所示。

a. different W content, with samples sintered

b. different W content, with samples unsintered

c. different Al particle size

d. different PTFE particle size

圖4 不同反應(yīng)材料試件的典型變形結(jié)果

Fig.4 Typical deformation results of different RM specimens

不同W含量的材料(1#,2#,3#)壓縮后的照片如圖4a所示。從圖4a中可以看出,對(duì)于燒結(jié)過的反應(yīng)材料,當(dāng)W的含量為0%(1#)和30% (2#)時(shí),試件經(jīng)壓制后呈鼓形,呈現(xiàn)出典型的塑性材料壓縮特性,即當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后,試件會(huì)產(chǎn)生橫向塑性變形; 當(dāng)W的含量為65% (3#)時(shí),試件壓縮后中部有部分鼓出,且有一個(gè)與軸線呈45°的裂紋,呈現(xiàn)出典型的脆性材料壓縮特性,即沿切應(yīng)力最大的方向發(fā)生剪切破壞。圖4b所示的未燒結(jié)的反應(yīng)材料試件,則均呈現(xiàn)出脆性材料的壓縮特性并發(fā)生剪切破壞。

不同Al顆粒粒徑的材料(2#,4#,5#)壓縮后的照片如圖4c所示。從圖4c中可以看出,Al顆粒的粒徑分別為13 μm(4#)、45 μm(5#)和75 μm(2#)的情況下,各反應(yīng)材料試件壓縮后的形狀相似,即保持相同的失效模式。不同PTFE基體材料粒徑(3#,6#)的壓縮變形結(jié)果如圖4d所示。從圖4d中可以看出,當(dāng)PTFE基體材料的粒徑由160 μm(2#)減小為25 μm(6#)時(shí),壓縮后試件的形狀出現(xiàn)垂直裂紋,試件的失效模式由塑性變形變?yōu)榇嘈蚤_裂。

3.2 結(jié)果及處理方法

各方案的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5a中可以看出,對(duì)于燒結(jié)的反應(yīng)材料,當(dāng)W的含量從0%(1#)增加到30%(2#)時(shí),Al/PTFE/W反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度有些許提高; 且當(dāng)W的含量增加到65%(3#)時(shí),反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度則大幅度降低,分析原因可能是當(dāng)W的含量增加到一定程度時(shí),材料的失效模式發(fā)生改變。從圖 5b可以看出,對(duì)于未燒結(jié)的反應(yīng)材料,當(dāng)W含量為30%(2#)和65%(3#)時(shí),反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度比W含量0%(1#)時(shí)分別提高了24.3%和67.2%,但對(duì)反應(yīng)材料的失效應(yīng)變臨界值影響不大(約為0.07)。由圖5c可見,當(dāng)反應(yīng)材料配方一定(Al/PTFE/W 18.55/51.45/30)時(shí),Al顆粒較小(4#)時(shí),材料的失效強(qiáng)度和彈性模量較高。由圖5d可見,當(dāng)PTFE基體材料的粒徑為25 μm時(shí),相比于圖 5a中同種配比(2#)下的結(jié)果,反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度和失效應(yīng)變臨界值都大幅度下降。

通過對(duì)圖5中不同方案反應(yīng)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行總結(jié),可以發(fā)現(xiàn)存在兩種典型形狀的曲線分別如如圖6a和圖6b所示。從圖6a可以看出,此類型曲線對(duì)應(yīng)的反應(yīng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓力經(jīng)歷三個(gè)階段: 線彈性階段、強(qiáng)化階段和失效階段,失效應(yīng)變臨界值約為1.2,呈典型的塑性失效模式。從圖6b可以看出,此類型曲線對(duì)應(yīng)的反應(yīng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓力下主要經(jīng)歷線彈性階段和失效階段,沒有明顯的強(qiáng)化階段,失效應(yīng)變臨界值約為0.07,呈典型的脆性失效模式。利用圖6中的方法對(duì)各方案的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行參數(shù)提取,主要參數(shù)為: 屈服應(yīng)力(屈服強(qiáng)度)、失效應(yīng)力(失效強(qiáng)度)、彈性模量,得到準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能參數(shù)見表2。

a. different W content, sintered

b. different W content, unsintered

c. different Al particle size, sinetered

d. PTFE matrix particle size of 25 μm

圖5 不同Al/PTFE/W的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.5 Stress-strain curves of Al/PTFE/W

3.3 微觀組織及失效分析

采用掃描電鏡對(duì)燒結(jié)過(靜壓前、靜壓后)、未燒結(jié)(靜壓后)的2#的反應(yīng)材料以及壓縮后的6#反應(yīng)材料進(jìn)行拍照,得到的微觀組織照片如圖7所示。由圖7a可見,微觀組織照片中,球形的Al顆粒、多面體結(jié)構(gòu)的W顆粒均勻地分布在PTFE基體材料中。由圖7b和圖7c可見,對(duì)于2#反應(yīng)材料,無論燒結(jié)與否,壓縮后的反應(yīng)材料微觀組織照片中均存在PTEF長(zhǎng)纖維; 而對(duì)于圖7d所示的壓縮后的6#反應(yīng)材料,微觀組織照片只能觀察到PTEF短纖維。

a. different W content, sintered

b. different Al particle size

圖6 壓縮性能參數(shù)取值示意圖

Fig.6 Schematic of obtained compression property parameters

表2 反應(yīng)材料的壓縮性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 2 Statistics of compression property parameters of RMs

No．sinteredornotaveragedensity/g·cm-3averageyieldstress/MPaaveragefailurestress/MPamodulusofelasticity/MPa1#Yes2．32016．10555．625470．315No2．3418．05312．903290．7232#Yes3．01615．59364．763436．085No3．08810．57016．037403．0103#Yes5．10715．48022．823649．112No5．14210．35721．573658．3434#Yes3．06617．75883．130713．3755#Yes3．04717．69069．263506．3936#Yes3．15911．47314．083510．083

結(jié)合表2中的壓縮性能參數(shù),對(duì)于燒結(jié)過的反應(yīng)材料,在PTFE基體材料粒徑為160 μm的情況下,不同W含量及不同Al顆粒粒徑的反應(yīng)材料屈服強(qiáng)度相差不大(16 MPa左右); 當(dāng)PTFE基體材料粒徑由160 μm(2#)減小為25 μm(6#)時(shí),材料的屈服強(qiáng)度由15.593 MPa降低至11.473 MPa,降幅為26.4%,分析原因可能為彈性階段,變形主要由PTFE分子鏈段的運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)鍵角所產(chǎn)生的形變引起,因此所有配方的反應(yīng)材料彈性階段均較短,屈服應(yīng)變約為0.04,此階段PTFE基體和金屬填充顆粒均處于彈性階段[10,13]。強(qiáng)化階段,PTFE分子鏈沿應(yīng)力方向的滑移,金屬填充顆粒相互接觸并形成力鏈,承載大部分軸向應(yīng)力,隨著壓力增大,出現(xiàn)微裂紋的摩擦滑移并導(dǎo)致基體材料和填充顆粒發(fā)生脫粘,在脫粘的過程中會(huì)產(chǎn)生如圖7b和圖7c所示的PTFE長(zhǎng)纖維。失效階段,反應(yīng)材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展、匯合并發(fā)展為宏觀裂紋,并伴隨著應(yīng)變軟化現(xiàn)象,導(dǎo)致材料失效。

a. 2#with sintered, uncompressed b. 2#with sintered, compressed

c. 2#with unsintered, d. 6#, compressed compressed

圖7 反應(yīng)材料的微觀結(jié)構(gòu)

Fig.7 Microstructures of RMs

通過對(duì)比圖7b和圖7c可以發(fā)現(xiàn),未燒結(jié)的試件壓縮過程中PTFE纖維與滑移路徑均較少,分析原因可能是PTFE分子與金屬填充顆粒結(jié)合力較小,無法提供徑向約束力,更容易發(fā)生顆粒脫落,因此無明顯的強(qiáng)化階段。而且,對(duì)于燒結(jié)過的試件,當(dāng)W的質(zhì)量比增加到一定程度,由于PTFE基體材料的減少,導(dǎo)致徑向約束力減小,應(yīng)力-應(yīng)變曲線也沒有明顯強(qiáng)化階段。

4 準(zhǔn)密閉容器沖擊釋能試驗(yàn)

4.1 沖擊釋能試驗(yàn)布局

圖8為沖擊釋能試驗(yàn)布局圖,發(fā)射裝置為14.5 mm彈道槍,槍口距準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器前端薄鋁片(3 mm厚)約3 m,采用六通道測(cè)速儀測(cè)定反應(yīng)破片的飛行速度,通過高速攝像儀監(jiān)測(cè)密閉反應(yīng)容器內(nèi)材料的反應(yīng)情況及噴射現(xiàn)象,拍攝頻率10000 fps。

a. Schematic representation

b. Distribution of experiment devices

圖8 沖擊釋能試驗(yàn)布局圖

Fig.8 Layout of impact energy release experiment

采用圖8所示的裝置,加載速度控制在750～1200 m·s-1,對(duì)表1所列6種方案進(jìn)行沖擊釋能試驗(yàn)。由于測(cè)試結(jié)果具有一定的波動(dòng)性,因此每次使用兩個(gè)傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量(兩個(gè)傳感器與鐵砧中心距離相同),每種方案在相近的速度下分別進(jìn)行2～3組有效試驗(yàn)。破片在穿透密閉容器前端薄鋁片時(shí),由于包覆殼體的保護(hù),破片幾乎不破碎,在此過程中產(chǎn)生的小峰值沖擊對(duì)內(nèi)部反應(yīng)材料有活化的作用。當(dāng)反應(yīng)破片撞擊鐵砧后,反應(yīng)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的初始沖擊,誘發(fā)反應(yīng)材料發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生類爆轟效應(yīng),形成一個(gè)高峰值的初始沖擊壓力并迅速的下降; 隨后其余未完全反應(yīng)的破片繼續(xù)發(fā)生反應(yīng),使密閉容器內(nèi)部壓力趨于平衡,此壓力為“準(zhǔn)靜態(tài)”壓力值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

典型配方(2#)的反應(yīng)破片在1136 m·s-1測(cè)試速度下(沖擊速度973 m·s-1)的高速錄像如圖 9所示,反應(yīng)破片穿透前端薄鋁片后進(jìn)入密閉反應(yīng)容器內(nèi)部發(fā)生劇烈的反應(yīng),釋放出大量能量,并形成獨(dú)特的噴射現(xiàn)象; 在82.5 ms時(shí),噴射火光達(dá)到最劇烈狀態(tài)。

試驗(yàn)速度以及測(cè)試結(jié)果如表3所列,典型的壓力-時(shí)間曲線如圖10所示。

a. t=0 ms

b. t=82.5 ms

c. t=164.3 ms

d. t=182.0 ms

圖9 典型配方(2#)沖擊釋能過程高速錄像

Fig.9 High-speed video recording pictures of the impact energy release process of typical formulation (2#)

a. 2# with similar velocities

b. 2# with different velocities

c. 4# with different velocities

d. 6# with different velocities

圖10 典型密閉容器內(nèi)配方2#, 4#和6#的峰壓-時(shí)間曲線

Fig.10 Peak pressure-time history curves of formulations 2#, 4#and 6#in a typical closed vessel

4.3 結(jié)果處理及分析

表3中試驗(yàn)測(cè)得的速度為槍口與測(cè)速靶紙之間的平均速度,考慮破片飛行過程及沖塞薄鋁片過程中的速度衰減,即可求得破片撞擊鐵砧時(shí)的剩余速度。飛行速度隨距離的衰減可通過下式進(jìn)行計(jì)算[22]:

(1)

式中,v0為初速,即測(cè)得的速度,m·s-1;Cx為破片迎面阻力系數(shù),對(duì)于圓柱形破片,取Cx=1.17;ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?取ρ=1.205 kg·m-3;φ為破片的形狀系數(shù),對(duì)于圓柱形破片,取φ=3.347×10-3m·kg-2/3;m為破片質(zhì)量,kg;x為飛行距離,m。

當(dāng)破片以初速v0沖塞薄鋁片時(shí),將薄鋁片沖掉一個(gè)質(zhì)量為M的塞塊,假設(shè)塞塊直徑D與破片的直徑d相同,破片的剩余速度vr可通過式(2)求得[23]:

(2)

(3)

(4)

式中,vun為極限穿透速度,m·s-1;b為薄鋁片的厚度,b=3 mm;D為塞塊的直徑,D=12 mm;τ為薄鋁片的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度,通常取靜態(tài)值的2～3倍,約750 MPa;c為材料中的沖擊波波速,m·s-1; 下標(biāo)p、t分別代表破片和薄鋁片。求得撞擊鐵砧時(shí)的剩余速度見表3。

當(dāng)反應(yīng)破片以速度v撞擊靜止的靶板,反應(yīng)破片與靶板中的產(chǎn)生的壓縮沖擊波速度分別為us1和us2。碰撞前,反應(yīng)破片中所有粒子均是相同的速度v; 碰撞后,未擾動(dòng)部分粒子速度仍為v速度,反應(yīng)破片殼體壓縮區(qū)的粒子速度減小為up1,方向與初始速度相反,粒子合速度為v-up1,靶板壓縮區(qū)的粒子速度為up2,由界面連續(xù)條件有[24]:

v=up1+up2, p1=p2

(5)

pi=ρ0iupiusi,i=1,2,3

(6)

usi=ci+siupi,i=1,2,3

(7)

式中,up為壓縮區(qū)粒子速度,m·s-1;us為壓縮沖擊波波速,m·s-1;ρ0為材料密度,kg·m-3; 下標(biāo)1、2、3分別表示反應(yīng)破片殼體、靶板、反應(yīng)破片內(nèi)反應(yīng)材料。

在傳播距離為x時(shí),衰減后的沖擊波壓力為[25]:

(8)

結(jié)合式(5)～式(8)可求出根據(jù)沖擊波前后質(zhì)量、動(dòng)量守恒以及界面連續(xù)條件有:

(9)

根據(jù)式(5)～式(9)可求出不同沖擊速度下破片內(nèi)部反應(yīng)材料的沖擊壓力p3。

表3 反應(yīng)破片沖擊釋能試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Experimental results of reative fragment impact energy release

No．fragmentmass/gmeasuredvelocity/m·s-1remainingvelocity/m·s-1impactpressure/GPapeakoverpressure/MPadurationofoverpressure/ms2#6．758367126．090．058736．779297936．900．0891536．7210118627．620．1302506．8511369738．800．1502786．60119510299．420．127574#6．458287015．980．1121196．799788367．350．2092426．8510699158．180．2013356．97119210249．360．1762316#6．437636455．430．099376．788106915．880．1081076．728737446．410．1312286．6010238717．710．1692536．70118410119．220．13087

不同方案反應(yīng)材料的反應(yīng)壓力峰值與沖擊速度和沖擊壓力的關(guān)系如圖11所示。由圖11中的曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著沖擊速度或沖擊壓力的增大,沖擊反應(yīng)壓力峰值呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)。分析原因可能是當(dāng)沖擊速度小于某值時(shí),侵徹前端薄鋁片產(chǎn)生的沖擊壓力不足以引發(fā)材料發(fā)生反應(yīng),在此范圍內(nèi)隨著速度的增加,撞擊鐵砧時(shí)的沖擊壓力與沖擊溫度增大,因此材料的反應(yīng)程度提高; 當(dāng)沖擊速度增大到一定程度,侵徹前端薄鋁片時(shí)反應(yīng)材料發(fā)生碎裂或反應(yīng),導(dǎo)致試件還未進(jìn)入到密閉容器內(nèi)部時(shí)便損失部分能量,因此反應(yīng)壓力峰值降低。

由圖11a和圖11b可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)沖擊速度低于928 m·s-1時(shí)(沖擊壓力8.82 GPa),相同速度下6#反應(yīng)材料比4#反應(yīng)材料能產(chǎn)生更高的反應(yīng)壓力峰值,分析原因可能是6#反應(yīng)材料的PTFE粒徑相對(duì)較小,Al顆粒與PTFE接觸總表面積較大,沖擊反應(yīng)效率更高; 當(dāng)速度高于928 m·s-1時(shí),相同速度下6#的沖擊反應(yīng)壓力相對(duì)較小,是因?yàn)?#材料的失效強(qiáng)度較低(相差約79%),在沖塞前端薄板是更容易發(fā)生破碎并引發(fā)反應(yīng),導(dǎo)致內(nèi)部反應(yīng)壓力降低。由圖11可以發(fā)現(xiàn),2#和4#反應(yīng)材料的擬合曲線呈近似平行狀態(tài),分析原因可能是兩種反應(yīng)材料的失效應(yīng)力相差不大(約22%),相同的沖擊壓力對(duì)材料引起的破壞程度相近; 同時(shí)減小反應(yīng)物Al顆粒的尺寸能較大程度地提高反應(yīng)壓力峰值,是由于增大了Al顆粒與PTFE基體的接觸總面積,提高了材料的沖擊反應(yīng)速率。

a. peak pressure vs. impact velocity

b. peak pressure vs. impact pressure

圖11 不同沖擊速度和沖擊壓力下Al/PTFE/W的峰壓

Fig.11 Peak pressures of Al/PTFE/W under different impact velocity and impact pressure

圖12為材料反應(yīng)壓力持續(xù)時(shí)間與沖擊速度和沖擊壓力的的關(guān)系。由圖12a和圖12b可以發(fā)現(xiàn),隨著沖擊速度(沖擊壓力)的增加,各方案反應(yīng)材料的反應(yīng)壓力持續(xù)時(shí)間均呈先增大后減小的趨勢(shì)。2#反應(yīng)材料和4#反應(yīng)材料的反應(yīng)壓力持續(xù)時(shí)間在沖擊速度910 m·s-1(沖擊壓力8.16 GPa)時(shí)達(dá)到最大值308 ms,6#反應(yīng)材料的壓力持續(xù)時(shí)間在沖擊速度833 m·s-1(沖擊壓力7.33 GPa)時(shí)達(dá)到最大值285 ms; 分析原因可能為PTFE基體材料尺寸較小時(shí),由于試件屈服強(qiáng)度和失效強(qiáng)度較低,因此有較低的初始反應(yīng)沖擊壓力閾值,并在相對(duì)較低沖擊壓力下反應(yīng)釋能效率達(dá)到最大值。

5 結(jié) 論

針對(duì)Al/PTFE/W氟聚物基反應(yīng)材料,采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和準(zhǔn)密閉反應(yīng)容器分別測(cè)得了反應(yīng)材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能和不同速度下的沖擊反應(yīng)壓力,分析反應(yīng)材料中W的含量(0%、30%、65%)、Al顆粒的粒徑(13 μm、45 μm、75 μm )和PTFE基體粒徑(25 μm、160 μm)對(duì)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能的影響規(guī)律并由此影響到?jīng)_擊反應(yīng)壓力峰值和沖擊反應(yīng)持續(xù)時(shí)間,主要的結(jié)論如下:

a. duration of pressure vs. impact velocity

b. duration of pressure vs. impact pressure

圖12 不同Al/PTFE/W的超壓持續(xù)時(shí)間與沖擊速度和沖擊壓力的關(guān)系

Fig.12 Relations of duration of overpressure vs. impact velocity and impact pressure for different Al/PTFE/W

(1)對(duì)于燒結(jié)過的反應(yīng)材料試件,當(dāng)W的含量為0%、30%和65%時(shí),反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度分別為55.6 MPa、64.8 MPa和22.8 MPa,W的含量變化對(duì)屈服強(qiáng)度的影響不大; 對(duì)于未燒結(jié)的反應(yīng)材料,相比于W含量為0%的反應(yīng)材料,當(dāng)W含量為30%和65%時(shí),反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度分別提高了24.3%和67.2%。

(2)氟聚物基反應(yīng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中體現(xiàn)出的塑性材料或脆性材料壓縮特性主要取決于金屬添加物的含量、PTFE基體材料的尺寸與材料的燒結(jié)情況,從微觀結(jié)構(gòu)方面分析主要取決于PTFE基體與金屬添加物之間的結(jié)合力的大小。

(3)對(duì)于Al/PTFE/W反應(yīng)材料,Al顆粒粒徑為75 μm時(shí),反應(yīng)材料的失效強(qiáng)度為64.8 MPa,而當(dāng)Al顆粒為45 μm和13 μm時(shí),反應(yīng)材料失效強(qiáng)度分別為69.3 MPa和83.1 MPa,分別提高了6.9%和28.2%; 同時(shí)減小Al顆粒的尺寸可增大反應(yīng)物之間的總接觸面積,達(dá)到增大反應(yīng)速率和反應(yīng)自持時(shí)間的目的; 反應(yīng)材料在靶后的釋能持續(xù)時(shí)間主要受材料失效強(qiáng)度和沖擊速度共同控制; 材料的失效強(qiáng)度同時(shí)影響反應(yīng)材料沖擊反應(yīng)初始?jí)毫Α?/p>

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