烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀,葛 超,田 超,董永香
(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
沖擊反應(yīng)材料是一種在通常情況下呈惰性,但是在高速碰撞或者高應(yīng)變率加載條件下,會(huì)快速而劇烈釋放化學(xué)能的廣義含能材料。該材料通常由兩種或多種惰性且相互之間不發(fā)生反應(yīng)的組分復(fù)合而成,具有良好的力學(xué)性能。相較于傳統(tǒng)材料,沖擊反應(yīng)材料能對(duì)目標(biāo)造成動(dòng)能和化學(xué)能的雙重毀傷,可顯著提升對(duì)目標(biāo)的毀傷效果。鋁顆粒增強(qiáng)的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene/Al, PTFE/Al)是一種典型的沖擊反應(yīng)材料,由于具有高能量水平、獨(dú)特的能量釋放特性、適中的力學(xué)性能及其他優(yōu)異的理化性能,近年來(lái)備受關(guān)注。Joshi[1]提出了一種PTFE/Al復(fù)合材料的壓制/燒結(jié)工藝流程,后被廣泛應(yīng)用。喬良等[2]、陽(yáng)世清等[3]、趙鵬鐸等[4]、徐松林等[5]對(duì)該材料的制備工藝、靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及Al含量和粒度對(duì)其力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該材料具有應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化及溫度軟化等特性。王海福等[6]、Zhang等[7]從釋能與撞擊速度關(guān)系和Al顆粒增強(qiáng)相特征尺寸的影響、反應(yīng)破片撞擊起爆及能量輸出特性、終點(diǎn)效應(yīng)等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。帥俊峰等[8]、謝長(zhǎng)友等[9]、辛春亮等[10]則從應(yīng)用角度,對(duì)沖擊反應(yīng)材料破片對(duì)鋼靶的侵徹、柴油油箱的毀傷及在活性藥型罩、聚能裝藥方面的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,顯示了該材料在高效毀傷方面獨(dú)特的優(yōu)越性。Ge等[11]及烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]則從微細(xì)觀(guān)角度,采用有限元方法,對(duì)Al顆粒粒徑及分布特征對(duì)其力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。在PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)誘發(fā)機(jī)理和反應(yīng)的臨界條件研究方面,Ames等[13]、Lee等[14]和Feng等[15]將該材料的反應(yīng)歸因于加載過(guò)程中的大變形、剪切帶以及碎化,雖然加載過(guò)程中材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部高溫,但是不足以誘發(fā)反應(yīng);而Hunt等[16]認(rèn)為在加載過(guò)程中產(chǎn)生的高應(yīng)變率和應(yīng)力會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能,以誘發(fā)材料發(fā)生反應(yīng)。Mock等[17]、Zhang等[7]均提出碰撞速度或者碰撞壓力作為該材料沖擊反應(yīng)誘發(fā)的判據(jù);任會(huì)蘭等[18]提出應(yīng)變率閾值和比能量閾值;Wang等[19]以比能量作為該材料沖擊反應(yīng)閾值。在前期工作中采用不同材質(zhì)的SHPB壓桿對(duì)PTFE/Al材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),在幾乎相同應(yīng)變率下,鋼桿加載發(fā)生反應(yīng)時(shí),鋁桿加載的材料并未發(fā)生反應(yīng);而采用鋼桿測(cè)試時(shí),加載速率必須高于某臨界值材料才會(huì)發(fā)生反應(yīng)。為進(jìn)一步獲得PTFE/Al材料臨界反應(yīng)的影響因素及臨界條件,本文中主要通過(guò)采用鋼桿、鋁桿和不同尺寸的PTFE/Al試樣,研究不同應(yīng)力和應(yīng)變率條件對(duì)材料沖擊反應(yīng)臨界條件的影響特性,并提出PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)臨界條件。
PTFE/Al復(fù)合材料中當(dāng)PTFE和Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73.5%和26.5%時(shí),材料中氧化劑與燃料為零氧平衡配比,一旦引發(fā)反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行并釋放最多能量[20],因此選取該典型配比。制備時(shí)采用混合壓制燒結(jié)工藝,即首先將PTFE粉和Al粉按照73.5%和26.5%的質(zhì)量百分比,在真空條件下干法混合24 h?;旌贤戤吅?,材料粉末在60 ℃的溫度下干燥24 h。然后將干燥過(guò)的粉體用網(wǎng)篩分散到模具中并用壓力機(jī)壓制、保壓成型;再把已成型的塊體放進(jìn)冷等液壓機(jī)中在250 MPa的壓力下加壓20 min;壓制好的材料將被放入管式燒結(jié)爐在氬氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)成型。燒結(jié)溫度先以50 ℃/h的速率升至295 ℃,在該溫度下保持4 h后,遵循先快后慢的原則降至室溫。其中PTFE平均粒徑為4~6 μm,密度為2.15×103kg/m3;Al平均粒徑約為8 μm,密度為2.7×103kg/m3。
采用如圖1所示?16 mm的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同尺寸的PTFE/Al試樣進(jìn)行沖擊加載,實(shí)驗(yàn)中鋼桿和鋁桿彈性模量、密度分別為205、72 GPa和8.0×103、2.8×103kg/m3。入射桿、透射桿、吸收桿和子彈長(zhǎng)度分別為1 200、1 200、800和300 mm,其中應(yīng)變片均貼在入射桿和透射桿正中間位置。
實(shí)驗(yàn)中為了更好地觀(guān)察沖擊加載過(guò)程中試樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)和誘發(fā)反應(yīng)過(guò)程,采用了高速攝影技術(shù)(采樣頻率40 000 s-1);由于SHPB沖擊過(guò)程歷時(shí)短暫,實(shí)驗(yàn)時(shí)采用閃光燈強(qiáng)光照射,可滿(mǎn)足高速攝影短時(shí)拍攝記錄要求。實(shí)驗(yàn)中子彈實(shí)際沖擊速度的測(cè)量和閃光燈的觸發(fā)通過(guò)1個(gè)小型天幕靶實(shí)現(xiàn)。為測(cè)試安全,實(shí)驗(yàn)中采用了帶有透明強(qiáng)化玻璃測(cè)試窗的防護(hù)箱。
圖1 SHPB沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of SHPB impact loading setup
圖2 PTFE/Al真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) Fig.2 True stress-strain curves of PTFE/Al
根據(jù)參考文獻(xiàn),PTFE/Al復(fù)合材料的強(qiáng)度均低于200 MPa,在3種應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。而Mock等[17]、Ge等[21]基于泰勒桿沖擊實(shí)驗(yàn)給出的沖擊反應(yīng)應(yīng)力臨界值分別為630和735 MPa;Wang等[19]基于SHPB實(shí)驗(yàn)獲得的反應(yīng)應(yīng)力值約為850 MPa。
實(shí)驗(yàn)的高速攝影照片如圖3所示,PTFE/Al試樣并不是在沖擊加載應(yīng)力達(dá)到其自身強(qiáng)度時(shí)開(kāi)始反應(yīng),而是繼續(xù)被壓縮失效、破碎、飛散并變得很薄,并最終出現(xiàn)反應(yīng),該過(guò)程和現(xiàn)象與任會(huì)蘭等[18]描述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程類(lèi)似。因此,不能用簡(jiǎn)單的材料破壞之前的應(yīng)力來(lái)標(biāo)定其沖擊反應(yīng)臨界值。
材料失效后所受應(yīng)力可根據(jù)壓桿與材料作用力和反作用力關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,如圖4所示,加載過(guò)程中入射桿和透射桿所受力F1、F2的表達(dá)式[22]分別為:
F1=AE(εi+εr),F(xiàn)2=AEεt
(1)
式中:A、E為壓桿橫截面和楊氏模量;εi、εt、εr分別代表入射、反射和透射信號(hào)。
圖3 SHPB加載下試樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.3 Dynamic response of the sample under SHPB impact
圖4 SHPB測(cè)試部分示意圖Fig.4 Testing section of SHPB
圖5 鋼桿測(cè)試系統(tǒng)沖擊下的實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms under the impact of a steel bar test system
從高速攝影記錄可看出,在整個(gè)加載過(guò)程中材料不斷地被壓縮并飛散,材料始終充滿(mǎn)入射桿-透射桿界面。圖5所示為與圖6中高速攝影對(duì)應(yīng)的SHPB實(shí)驗(yàn)波形,圖5中紅色虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻反射波幅值開(kāi)始減小,透射波開(kāi)始突增,此時(shí)材料已失效[23],從圖6中可看出此時(shí)(75 μs時(shí)刻)材料已被擠壓出桿邊緣但還未出現(xiàn)反應(yīng);圖5中紅色線(xiàn)條對(duì)應(yīng)時(shí)刻透射波與入射波幅值非常接近,反射波幅值則接近零,說(shuō)明此刻試樣已被壓縮得非常薄,很接近入射桿-透射桿直接相撞,因此可認(rèn)為F1、F2近似相等;而在此時(shí)高速攝影圖6中也觀(guān)察到試樣被壓縮到較薄狀態(tài)并發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象。
根據(jù)上述分析,當(dāng)材料出現(xiàn)反應(yīng)時(shí)刻F1≈F2,因此此時(shí)材料所受的應(yīng)力可近似地表示為:
(2)
式中:σ、ε(Tr)、A為材料反應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)力、透射波幅值和剩余材料橫截面。對(duì)于每一發(fā)實(shí)驗(yàn),根據(jù)透射波幅值ε(Tr)和式(2),可較直觀(guān)地對(duì)材料反應(yīng)時(shí)所受的應(yīng)力進(jìn)行估算。
從圖5和式(2)中可以看出,SHPB加載過(guò)程中出現(xiàn)反應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力遠(yuǎn)大于PTFE/Al復(fù)合材料本身的強(qiáng)度(紅色虛線(xiàn)之前部分代表試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[23],此時(shí)透射波幅值很小,根據(jù)二波法[22]可知試樣材料強(qiáng)度較小)。
由于SHPB實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程短暫,試樣長(zhǎng)度較小,應(yīng)變率可按下式[22]進(jìn)行近似計(jì)算:
(3)
對(duì)PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)臨界條件的進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表1所示。觀(guān)察發(fā)現(xiàn):在相同應(yīng)變率條件下,采用鋼質(zhì)SHPB系統(tǒng)試樣材料會(huì)發(fā)生反應(yīng),而鋁質(zhì)SHPB系統(tǒng)下試樣材料不發(fā)生反應(yīng),如表1中第1、2組實(shí)驗(yàn);在鋼質(zhì)SHPB下只改變應(yīng)變率,有的反應(yīng),有的不反應(yīng),如表1中第2、3和4組實(shí)驗(yàn);而且當(dāng)應(yīng)力及應(yīng)變率同時(shí)高于某個(gè)臨界值時(shí)材料會(huì)發(fā)生反應(yīng),如表1中第3、4、5和6組實(shí)驗(yàn)。因此,認(rèn)為應(yīng)力和應(yīng)變率均對(duì)PTFE/Al沖擊反應(yīng)誘發(fā)產(chǎn)生影響。下面選取3個(gè)典型高速攝影記錄(圖6~8)分析沖擊反應(yīng)過(guò)程,相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。
表1 SHPB沖擊加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of SHPB impact loading
表2 SHPB沖擊加載實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters for SHPB impact loading experiment
圖6所示為鋼桿以28 m/s的沖擊速度對(duì)?6 mm×4 mm試樣進(jìn)行沖擊壓縮過(guò)程。從圖6中可以看出,PTFE/Al試樣經(jīng)歷了被壓縮變形、破壞粉碎、沖擊反應(yīng)等階段。0~50 μs為PTFE/Al試樣的壓縮變形階段,從圖5中的對(duì)應(yīng)波形可以看出此為均勻變形過(guò)程,滿(mǎn)足SHPB基礎(chǔ)理論假設(shè)條件,該段可反映材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能;50~75 μs為材料繼續(xù)被壓縮破碎飛散過(guò)程,表明材料已達(dá)到了破壞極限;在100 μs時(shí)刻材料開(kāi)始進(jìn)入反應(yīng)階段,125 μs時(shí)反應(yīng)更劇烈。實(shí)驗(yàn)中,材料反應(yīng)過(guò)程伴隨有火光、刺鼻的味道及黑色反應(yīng)殘余物質(zhì)。
圖6 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.6 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar
為研究應(yīng)力對(duì)PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)臨界條件的影響,根據(jù)式(2)、(3)將鋼桿換成鋁桿,并以31 m/s的速度對(duì)?6 mm×3 mm試樣進(jìn)行沖擊,試樣在鋁桿沖擊加載下的作用過(guò)程如圖7所示。
圖7 PTFE/Al試樣在鋁桿沖擊加載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.7 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by aluminum bar
從圖7中可以看出:在鋁桿測(cè)試系統(tǒng)沖擊下材料經(jīng)歷變形、破壞、飛散階段,但整個(gè)過(guò)程中無(wú)火光出現(xiàn);同鋼桿測(cè)試系統(tǒng)沖擊情況,75 μs時(shí)刻破壞的材料已被擠壓出壓桿邊緣,表明材料已破壞;100 μs時(shí)刻之后材料碎片進(jìn)一步被壓縮飛散卻無(wú)反應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)。從表2可知,圖7相比于圖6,加載應(yīng)變率變大、應(yīng)力變小,而試樣未反應(yīng)。說(shuō)明試樣所受應(yīng)力同時(shí)影響PTFE/Al復(fù)合材料的沖擊反應(yīng)。
為了研究應(yīng)變率對(duì)PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)臨界條件的影響,根據(jù)式(2)和式(3)在鋼桿系統(tǒng)下以43 m/s的沖擊速度對(duì)?8 mm×8 mm試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖8為試樣在鋼桿沖擊加載下的作用過(guò)程。
從圖8中可以看出,由于試樣厚度較大,在第1個(gè)脈寬內(nèi)(約120 μs)壓桿之間尚有較多的材料,此時(shí)材料已破壞卻無(wú)反應(yīng)出現(xiàn);在第2次脈寬內(nèi)(即波在桿中反射一次約需475 μs,大約600 μs時(shí)刻進(jìn)入第2次壓縮)材料破碎飛散并形成了明顯的碎物質(zhì),從材料壓縮、入射桿-透射桿將材料壓至很薄到壓桿相互分離的整個(gè)過(guò)程中均無(wú)火光出現(xiàn)。從表2可知,圖8中所示應(yīng)力狀態(tài)相較于圖6中所示的應(yīng)力更大、應(yīng)變率更小,而試樣未反應(yīng)。說(shuō)明應(yīng)變率同時(shí)影響PTFE/Al復(fù)合材料的沖擊反應(yīng)。
圖8 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.8 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar
根據(jù)前文的研究思路,通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比研究了PTFE/Al復(fù)合材料應(yīng)力和應(yīng)變率狀態(tài)與其沖擊反應(yīng)情況。實(shí)驗(yàn)中為了提高數(shù)據(jù)的可靠性,相同應(yīng)力和應(yīng)變率條件下同一發(fā)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了3次,根據(jù)3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合確定該條件下的沖擊響應(yīng)狀態(tài),并記為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。
圖9 沖擊應(yīng)力和應(yīng)變率關(guān)系 Fig.9 Relation between impact stress and strain rate
圖9所示為鋁桿和鋼桿對(duì)不同尺寸的試樣進(jìn)行SHPB加載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力和應(yīng)變率數(shù)據(jù)點(diǎn)近似呈線(xiàn)性關(guān)系,如圖9中虛線(xiàn)所示。沿著實(shí)線(xiàn)L1的數(shù)據(jù)點(diǎn)體現(xiàn)了在應(yīng)力保持恒定的情況下,應(yīng)變率對(duì)沖擊反應(yīng)的影響:當(dāng)應(yīng)力大于其臨界值時(shí),可以看到當(dāng)應(yīng)變率大于某一值時(shí)才能發(fā)生反應(yīng);而且根據(jù)高速攝影觀(guān)察,從左到右反應(yīng)出現(xiàn)的火光明亮度更強(qiáng);說(shuō)明應(yīng)變率是決定該材料沖擊反應(yīng)的重要因素。而沿著實(shí)線(xiàn)L2的數(shù)據(jù)點(diǎn)體現(xiàn)了在應(yīng)變率保持恒定的情況下,應(yīng)力對(duì)沖擊反應(yīng)的影響:當(dāng)應(yīng)變率大于其臨界值時(shí),應(yīng)力大于某一值時(shí)才能發(fā)生反應(yīng),而且從下到上出現(xiàn)的火光明亮度更強(qiáng),說(shuō)明應(yīng)力對(duì)該材料沖擊反應(yīng)產(chǎn)生影響。同時(shí)在圖9中,可以看到一個(gè)由反應(yīng)的和不反應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的混合區(qū),在這混合區(qū)中,反應(yīng)是概率出現(xiàn)的。因此,混合區(qū)的出現(xiàn)預(yù)示著臨界應(yīng)力和應(yīng)變率的出現(xiàn)。理論上在圖9中的每條黑色虛線(xiàn)上都應(yīng)該出現(xiàn)混合區(qū),但由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的限制,只能在數(shù)據(jù)點(diǎn)較多的虛線(xiàn)上觀(guān)察到混合區(qū)。
沖擊壓縮過(guò)程中材料將吸收了外界機(jī)械功,從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和反應(yīng)臨界條件可知,滿(mǎn)足應(yīng)力條件σ>σc,從其量綱看即滿(mǎn)足含能材料臨界壓力或單位體積的臨界能量判據(jù)(單位為J/m3)。同時(shí)滿(mǎn)足應(yīng)力、應(yīng)變率條件,說(shuō)明比能量的輸入速率[21](即應(yīng)力和應(yīng)變率相關(guān)聯(lián),單位為J/m3·s-1)對(duì)該材料沖擊反應(yīng)誘發(fā)也起重要的作用。因此,當(dāng)該材料出現(xiàn)反應(yīng)時(shí),累積的比能量需大于臨界比能量,并且此時(shí)的比能量輸入速率應(yīng)大于臨界速率。PTFE/Al復(fù)合材料上述臨界條件跟沖擊反應(yīng)材料“只有在高速碰撞或者高應(yīng)變率加載條件下發(fā)生反應(yīng)”的特性吻合。
在微細(xì)觀(guān)層面,Ge等[11]和烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]對(duì)PTFE/Al復(fù)合材料微細(xì)觀(guān)數(shù)值模擬結(jié)果中觀(guān)察到了與加載方向成45°的剪切應(yīng)力聚集區(qū),如圖10(a)所示。另外Herbold等[24]對(duì)PTFE/Al/W材料的落錘沖擊模擬中也觀(guān)察到類(lèi)似的現(xiàn)象,壓縮過(guò)程中裂紋沿剪切應(yīng)力聚集區(qū)擴(kuò)展,如圖10(b)所示。
通過(guò)上述PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和微細(xì)觀(guān)數(shù)值模擬結(jié)果初步分析,沖擊加載下PTFE/Al材料的應(yīng)力、應(yīng)變及達(dá)到的應(yīng)變率等直接影響材料破碎及剪切作用效果,引起內(nèi)部細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化,形成顆粒與基體界面的脫落、裂紋擴(kuò)展,從能量角度可理解為與沖擊載荷作用下應(yīng)力和應(yīng)變率關(guān)聯(lián)的高速率能量輸入。
圖10 壓縮過(guò)程中PTFE/Al細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of PTFE/Al under compression at microscale
圖11 PTFE/Al在SHPB加載下反應(yīng)預(yù)測(cè)曲線(xiàn)的擬合 Fig.11 Curves fitting for predicting the impact initiation of PTFE/Al samples by SHPB
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本文中通過(guò)SHPB加載和高速攝影技術(shù),分別采用鋼桿和鋁桿對(duì)不同尺寸的PTFE/Al試樣進(jìn)行了沖擊測(cè)試,研究了加載應(yīng)力和應(yīng)變率關(guān)聯(lián)對(duì)沖擊反應(yīng)臨界條件的影響?;诒疚难芯織l件下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得到以下主要結(jié)論:
SHPB加載下PTFE/Al復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)過(guò)程主要包括材料變形、破碎、反應(yīng)等階段;結(jié)合高速攝影與SHPB測(cè)試波形,確定材料出現(xiàn)反應(yīng)是在試樣加載后的破碎階段,并給出了該階段材料臨界反應(yīng)時(shí)應(yīng)力的近似計(jì)算方法;
基于實(shí)驗(yàn)擬合獲得了PTFE/Al復(fù)合材料沖擊反應(yīng)閾值預(yù)測(cè)曲線(xiàn),只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于該閾值曲線(xiàn)及其上方時(shí),材料才會(huì)被誘發(fā)反應(yīng)。