黃駿逸，方 向，李裕春，吳家祥，宋佳星

?

三元氟基反應材料的壓縮力學性能與毀傷效能研究

黃駿逸，方 向，李裕春，吳家祥，宋佳星

（陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京，210007）

為研究氟基反應材料的爆炸反應過程及對目標靶板的毀傷效能，在PTFE/Al的基礎上分別加入15%體積分數(shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應材料，測試了其準靜態(tài)壓縮條件下的力學性能，以及所制備的藥型罩在炸藥驅(qū)動下對靶板的穿孔擴孔效應。研究結(jié)果表明，3種材料均具有較高的結(jié)構(gòu)強度，且制備成的藥型罩在炸藥的驅(qū)動下均能發(fā)生爆炸反應，直接貫穿厚度為10mm的鋼板。其中，PTFE/Al/MoO3材料穿孔擴孔能力最強，是一種優(yōu)異的毀傷材料。

氟基反應材料；藥型罩；力學性能；毀傷效應

反應材料又被稱為沖擊引發(fā)的含能材料，具有一定的強度和硬度，在沖擊作用下可發(fā)生化學反應生成新的產(chǎn)物并伴隨釋放大量熱量[1-3]。聚四氟乙烯/鋁(PTFE /Al)氟基反應材料由于其高能量水平、獨特的能量釋放特性等優(yōu)點，在軍事上有著巨大的應用前景[4-5]。近年來，很多學者嘗試在PTFE/Al的基礎上，加入鎢（W）、鎳（Ni）等金屬或者Fe2O3等金屬氧化物來增加材料的密度、強度，以提升能量釋放水平，并對其毀傷效果進行了實驗研究。如周杰等[6]開展了PTFE/Al/W反應材料的準靜態(tài)壓縮實驗和準密閉容器沖擊釋能試驗，測試了反應材料在靶后的釋能持續(xù)時間、沖擊速度以及沖擊反應初始壓力。陶忠明等[7-8]對不同的PTFE基反應材料進行了撞靶實驗，得出由PTFE/Al/Fe2O3反應材料制備的藥型罩撞擊靶板時，對靶板的徑向膨脹擴孔效應最明顯。在PTFE/Al的基礎上，加入金屬氧化物制備的三元氟基反應材料，加工成戰(zhàn)斗部作用于目標時，不僅具有一定的動能，還能在沖擊時引發(fā)Al和氧化物之間的鋁熱反應，利用其產(chǎn)生的高溫對目標進行多重毀傷。本文在PTFE/Al的基礎上，分別加入Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應材料，測試了其準靜態(tài)壓縮條件下的力學性能，且通過模壓燒結(jié)工藝制備了一批具有一定強度的反應材料藥型罩；利用炸藥對其進行直接驅(qū)動撞靶，同時對比撞靶試驗結(jié)果，探索3種不同氟基反應材料對鋼靶的破甲作用過程。研究結(jié)果可為含能藥型罩打擊裝甲目標提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗原材料及配方

PTFE（25μm，上海三愛富新有限公司），Al（1~ 2μm）、Fe2O3(5μm)、MoO3（5μm）、MnO2（5μm）均來自上海乃歐納米科技有限公司。為便于比較，在PTFE/Al基礎上，分別加入15%體積分數(shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備3種氟基反應材料，配方如表1所示。

表1 實驗樣品及配方

Tab.1 Experimental samples and formulations

1.2 試件的制備

將適量的原材料按照一定配比混合后置于燒杯中，加入適量無水乙醇，攪拌30min，再將攪拌后的材料置于真空烘箱中干燥24h，取出后過篩得到均勻粉末。使用模具和液壓機將粉末壓制成φ10mm×10mm的圓柱體用于準靜態(tài)壓縮實驗，同時取適量的反應材料粉末壓制成球缺型藥型罩用于穿靶試驗，藥型罩口徑為30mm，厚度1.5mm。壓制成的試件需要進行燒結(jié)才具有一定的結(jié)構(gòu)強度，故將制備的試件置于真空管式爐中進行燒結(jié)，升溫和降溫速率均為50℃/h，燒結(jié)溫度360℃，保溫4h，隨爐冷卻后得到成型的反應材料試件，如圖1所示。

圖1 反應材料試件

穿靶試驗中，采用炸藥直接驅(qū)動藥型罩對鋼板進行毀傷。圖2為反應藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及其示意圖。

圖2 藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)及示意圖

毀傷元主要由尼龍塑料殼體、反應材料藥型罩以及壓裝塑性炸藥組成。主裝藥質(zhì)量統(tǒng)一為15g，并壓裝均勻。

1.3 實驗設計

準靜態(tài)壓縮試驗采用微機控制萬能試驗機完成，壓頭行進速度6mm/min，對應應變率為0.01/s，相同實驗重復3次，試驗溫度25℃。為觀測氟基反應材料藥型罩的毀傷效應，設計了如圖3所示的實驗裝置，試驗所用的目標靶板為304不銹鋼板，尺寸為500mm×500mm×10mm，藥型罩與靶板距離為6cm，采用電雷管起爆方式，并用高速攝影記錄反應過程。

圖3 實驗布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 準靜態(tài)壓縮試驗

反應材料的力學性能會影響材料對目標的毀傷效果。低強度材料制備的藥型罩，在對靶板進行撞擊時會瞬間破碎，從而影響藥型罩對靶板的穿孔和擴孔效應[8]。圖4為3種氟基反應材料在準靜態(tài)壓縮條件下的真實應力應變曲線。從圖4中可以看出，3種材料在準靜態(tài)壓縮條件下，均經(jīng)歷了線彈性階段、強化階段以及失效階段。

圖4 氟基反應材料的真實應力應變曲線

3種材料在線彈性階段幾乎表現(xiàn)出相同的性質(zhì)，其彈性模量相近，這是由于彈性變形主要由PTFE基體中較軟的無定型態(tài)部分承擔，主要表現(xiàn)為無定型態(tài)非晶區(qū)的層間滑移（interlamellar slip），這一過程是可逆的[9]。經(jīng)歷彈性階段后，3種材料在強化階段出現(xiàn)了明顯的分化，3#材料的應變硬化模量明顯比1#和2#材料低，表明在相同的應力作用下，3#材料發(fā)生的應變更大。經(jīng)歷強化階段后，當材料達到其最大強度時，材料失效，其強度分別為87.7MPa、89.7MPa和72.0MPa。失效時材料的臨界真實應變分別為1.41、1.39和1.91。1#和2#材料具有相似的力學性能，而3#材料相比則具有更低的強度，但延展性更好。3種氟基反應材料準靜態(tài)壓縮下的性能參數(shù)如表2所示。

表2 氟基反應材料準靜態(tài)壓縮下的性能參數(shù)

Tab.2 Performance parameters of fluorine-based reaction materials under quasi-static compression

2.2 撞靶試驗

點火后，3種氟基反應材料藥型罩毀傷元均能發(fā)生劇烈反應并有效貫穿靶板，形成孔洞，并伴隨著明亮的火光。高速攝影記錄的3種毀傷元撞靶反應過程相似，本文僅給出1#藥型罩毀傷元撞靶的反應過程，如圖5所示。從圖5中可以看出，由于炸藥和藥型罩反應產(chǎn)生的巨大火球，并不能準確看出反應材料藥型罩爆炸成型的具體形狀，火球持續(xù)時間大約為80ms。圖6為3種藥型罩毀傷元對靶板的毀傷效果圖。從圖6中可以看出，在靶板的正面撞擊部位均有黑色燒灼痕跡和積碳現(xiàn)象，說明在撞靶瞬間反應材料藥型罩在高溫高壓下產(chǎn)生了反應。

圖5 1#反應材料撞靶反應過程

圖6 對靶板的毀傷效果

靶板背面孔洞呈現(xiàn)花瓣式外折，表明氟基反應材料藥型罩能產(chǎn)生較好的擴孔效應，其中2#材料擴孔效應最好，開孔直徑達到61mm，而1#、3#藥型罩毀傷元對靶板的穿孔直徑則分別為32mm和42mm。值得注意的是，1#藥型罩毀傷元作用于靶板后，在靶板正面孔洞周圍留下了分散型的凹坑，如圖6（a）所示。經(jīng)過多次試驗證明凹坑出現(xiàn)并非偶然，而是1#材料特有的現(xiàn)象，這是由于炸藥作用于1#藥型罩后，Al與Fe2O3之間的鋁熱反應生成了高溫金屬熔渣，熔渣高速沖擊靶板，形成凹坑，而2#和3#藥型罩反應后，生成固體殘渣少，故靶板孔洞周圍較為平整。3種藥型罩對靶板的毀傷相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 藥型罩對靶板的毀傷相關(guān)參數(shù)

Tab.3 The related parameters for the damage effect on the steel plates of liners

2.3 反應行為分析

本文3種氟基反應材料在撞擊靶板的過程中，發(fā) 生了劇烈的氟化反應和鋁熱反應，主要反應有：

4Al+3C2F4→4AlF3+6C （1）

2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3（2）

2Al+MoO3→Mo+Al2O3（3）

4Al+3MnO2→3Mn+2Al2O3（4）

由前文可知，3種材料的強度大小依次為：2#、1#和3#，而藥型罩毀傷元對靶板的開孔直徑大小依次為2#、3#和1#，表明藥型罩材料的強度不是決定其毀傷效果的唯一因素，材料自身的性質(zhì)也會對其毀傷效果產(chǎn)生很大影響。材料中加入的氧化物種類不同，發(fā)生的鋁熱反應不同，產(chǎn)生的能量、熱量、達到的溫度以及氣體產(chǎn)生量也會不同。表4列出了3種氧化物與Al發(fā)生鋁熱反應時的相關(guān)性能參數(shù)[10]。

表4 鋁熱反應相關(guān)性能參數(shù)

Tab.4 The related performance parameters of thermite reaction

從表4中可以看出，3類鋁熱反應均能達到較高的絕熱溫度，但Al與MnO2的反應產(chǎn)物為氣態(tài)，且氣體產(chǎn)生量最多，達到0.813 6mol/100g，有助于其對靶板進行擴孔，故雖然3#材料強度比1#材料低，但擴孔效應較1#材料更為明顯。2#材料不僅強度最高，對應的鋁熱反應產(chǎn)生的絕熱溫度也最高，達到3 253K，同時也具有較高的質(zhì)量釋放熱（4.72kJ/g）。MoO3是一種理想的復合含能材料氧化物，具有低分解溫度和高熱釋放的優(yōu)點[11]，其在795℃時便會升華，有助于鋁熱反應的進行，因此2#材料穿孔擴孔能力最強，是一種優(yōu)異的毀傷材料。

3 結(jié)論

本文在PTFE/Al的基礎上，分別加入15%體積分數(shù)的Fe2O3、MoO3、MnO2，制備了3種三元氟基反應材料，測試了其準靜態(tài)壓縮條件下的力學性能和炸藥驅(qū)動下對靶板的毀傷效應。研究結(jié)果表明：3種氟基反應材料均具有較高的結(jié)構(gòu)強度，壓縮強度分別達到87.7MPa、89.7MPa和72.0MPa，且制備成的藥型罩在炸藥的驅(qū)動下均能發(fā)生爆炸反應并釋放出大量能量，直接貫穿厚度為10mm的鋼板，留下孔徑分別為32mm、61mm和42mm的孔洞。PTFE/Al/Fe2O3藥型罩反應后會產(chǎn)生高溫金屬熔渣，熔渣撞擊靶板后會在孔洞周圍留下分散型凹坑。PTFE/Al/MnO2藥型罩反應后產(chǎn)生大量氣體，擴孔效應明顯。PTFE/Al/ MoO3材料穿孔擴孔能力最強，是一種優(yōu)異的毀傷材料。含能材料是當今毀傷戰(zhàn)斗部研究的熱點之一，氟基反應材料由于高能量水平、獨特的能量釋放特性受到了廣泛關(guān)注，開展氟基反應材料毀傷效應研究可為含能藥型罩打擊裝甲目標提供一定的參考。

[1] 陶忠明, 方向, 李裕春,等. Al/Fe2O3/PTFE反應材料制備及性能[J]. 含能材料, 2016, 24(8):781-786.

[2] Qiao L, Zhang X F, He Y, et al. Multiscale modelling on the shock- induced chemical reactions of multifunctional energetic structural materials[J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113(17):2 129-99.

[3] Feng B, Fang X, Li Y C, et al. An initiation phenomenon of Al-PTFE under quasi-static compression[J]. Chemical Physics Letters, 2015(637):38-41.

[4] 陽世清,徐松林,張彤.PTFE/Al反應材料制備工藝及性能[J]. 國防科技大學學報, 2008,30(6):39-42.

[5] 張先鋒,趙曉寧.多功能含能結(jié)構(gòu)材料研究進展[J].含能材料, 2009,17(6):731-739.

[6] 周杰,何勇,何源,等. AI/PTFE/W反應材料的準靜態(tài)壓縮性能與沖擊釋能特性[J].含能材料, 2017, 25(11):903-912.

[7] 陶忠明,宋佳星,吳家祥,等.三種反應材料藥型罩對雙靶板毀傷性能實驗研究[J].火工品, 2017(4):1-4.

[8] 陶忠明,方向,李裕春,等. PTFE基含能藥型罩制備及毀傷性能研究[J].火工品, 2016(6):13-16.

[9] Jordan J L，Siviour C R，F(xiàn)oley J R，et al. Compressive properties of extruded polytetrafluoroethylene[J]. Polymer，2007,48(14):4 184-4 195.

[10] Fischer S H, Grubelich M C. Theoretical energy release of thermites, intermetallics,and combustible metals[C]// Australian- American Joint Conference on the Technologies of Mines and Mine Countermeasures,1999.

[11] 羅運軍,李生華,等.新型含能材料[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2015.

Study on Compressive Mechanical Properties and Damage Efficiency of Ternary Fluorine-based Reactive Materials

HUANG Jun-yi，F(xiàn)ANG Xiang，LI Yu-chun，WU Jia-xiang，SONG Jia-xing

(Institute of Battlefield Engineering，Army Engineering University，Nanjing，210007）

In order to study the explosive reaction process and the damage performance on target plate of the fluorine-based reaction material, three ternary fluorine-based reaction materials were prepared by adding 15% volume of Fe2O3, MoO3, MnO2to the PTFE/Al. The mechanical properties of the three materials under quasi-static compression were recorded, as well as the perforation effects on the target plate of liners made of these materials driven by explosives. The results show that all three materials have high structural strengths, the prepared liners can all react explosively and penetrate the target plate with thickness of 10mm. Among them, the PTFE/Al/MoO3material has the strongest ability of perforation and reaming, and is an excellent damage material.

Fluorine-based reactive materials；Liner；Mechanical properties；Damage effect

1003-1480（2018）05-0021-04

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.006

2018-04-25

黃駿逸（1990 -），男，在讀博士研究生，主要從事反應材料的制備及應用研究。

國家自然科學基金（51673213）。