熊 瑋，張先鋒，陳海華，杜 寧，包 闊，談夢婷

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

Al/Ni 材料是典型的含能結(jié)構(gòu)材料（Energetic structural materials），同時(shí)具備結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)反應(yīng)釋能特性。該類材料在一般情況下保持惰性且不相互反應(yīng)，當(dāng)給予足夠的機(jī)械、電或激光等刺激后會迅速釋放大量的化學(xué)能，發(fā)生快速燃燒或爆炸［1］。由于兼具含能和強(qiáng)度特性，含能結(jié)構(gòu)材料在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均具有十分廣闊的應(yīng)用前景［2-6］，如制作含能破片、含能藥型罩、基于含能結(jié)構(gòu)材料的侵徹體及空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)等。在材料制備方面，由于Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在溫度達(dá)到鋁的熔點(diǎn)（660 °C）時(shí)即會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一般不采用燒結(jié)［7-8］和高溫熔融的方法制備該種材料，因此最常用的制備方法有準(zhǔn)靜態(tài)壓制［9-10］、爆炸合成［11］和冷軋［12］等。

相關(guān)研究表明［13］，Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)（顆粒尺寸、形狀以及顆粒分布等）對其力學(xué)行為及沖擊反應(yīng)特性的影響十分顯著。在細(xì)觀尺度上建立含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊響應(yīng)模型，研究其在沖擊壓縮下的金屬顆粒材料間的碰撞、孔隙壓垮、接觸面變化及溫度分布等規(guī)律，能更直接分析含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，進(jìn)而有利于闡明其沖擊反應(yīng)機(jī)制。含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型的生成方法主要有兩種：（1）滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型。Williamson［14］將不銹鋼材料簡化為在細(xì)觀尺度上由均勻、等粒徑顆粒構(gòu)成，生成了相應(yīng)細(xì)觀數(shù)值仿真模型。為了更 接 近 真 實(shí) 細(xì) 觀 分 布 情 況，Benson［15-16］、Austin等［17-19］和喬良［20-21］隨后改進(jìn)了該類細(xì)觀模型建立方法，結(jié)合材料中顆粒細(xì)觀分布特性（材料配比、尺寸、幾何形態(tài)）建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，并利用隨機(jī)數(shù)生成方法、模擬退火算法等方法生成滿足細(xì)觀分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的模型。（2）基于細(xì)觀照片生成細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型。Eakins［22-23］通過（Scanning Electron Microscope，SEM）設(shè)備得到了Al/Ni 含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀照片，并以此建立了細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型，研究了材料顆粒形狀和密實(shí)度等細(xì)觀特性對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)行為的影響規(guī)律，同時(shí)確定了其狀態(tài)方程參數(shù)，其建模過程主要有三步［23］：區(qū)分相、矢量化、導(dǎo)入仿真軟件。相比而言，滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型的建立更加方便快捷，而基于細(xì)觀照片生成細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型更能體現(xiàn)材料細(xì)觀尺度上的實(shí)際分布特點(diǎn)，而兩種建模方法對含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)細(xì)觀模擬結(jié)果的影響機(jī)制仍有待探索。

基于以上研究背景，本研究選取三種典型的Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象，結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片和細(xì)觀顆粒初始形態(tài)建立該類材料的沖擊壓縮細(xì)觀模型，重點(diǎn)關(guān)注沖擊壓縮過程中的材料顆粒變形、壓力響應(yīng)及熱點(diǎn)分布、沖擊波傳播特性等問題，分析兩種建模方法對材料沖擊壓縮響應(yīng)特性的影響機(jī)制，為含能結(jié)構(gòu)材料沖擊反應(yīng)特性的研究奠定基礎(chǔ)。

2 細(xì)觀模擬方法

2.1 典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性

對不同Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測有助于確定材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料力學(xué)行為及沖擊反應(yīng)特性的影響規(guī)律，同時(shí)也可為后續(xù)細(xì)觀仿真建模提供參考。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料SEM 照片如圖1 所示。前兩種材料為Al/Ni粉末復(fù)合材料，由初始粒徑分別小于23 μm 和75 μm的Al 粉和Ni 粉按一定比例混合后，通過粉末壓制法制備得到，尺寸為Φ10 mm×10 mm。其中，1#材料體積配比為50/50，記為Al/Ni（VAl/VNi=50/50）粉末復(fù)合材料；2#材料化學(xué)計(jì)量比為50/50，記為Al/Ni（nAl/nNi=50/50）粉末復(fù)合材料。3#材料為Al/Ni（nAl/nNi=50/50）多層復(fù)合材料，由初始厚度分別為0.8 mm 和0.5 mm 的Al板和Ni板交疊后軋制而成，隨后切割為Φ11.8 mm×5.5 mm圓柱型試樣。

對于1#材料，在SEM 照片（圖1a）中Al 球形顆粒均勻分布在Ni 基質(zhì)中，其Al-Al 晶界較為清晰。而2#材料SEM 照片中，Al 顆粒相互結(jié)合，Al-Al 晶界不夠分明。這是由于隨著Al 含量增加，Al-Al 顆粒間發(fā)生相互接觸，在準(zhǔn)靜態(tài)壓制過程中發(fā)生變形并結(jié)合在一起，形成如圖1b 所示的團(tuán)聚現(xiàn)象。另一方面，圖1c 所示基于冷軋技術(shù)制備的3#材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)主要以Al 為基體，而Ni 平行散布其中。同時(shí)，由于Al 和Ni 的可壓縮性不同，兩者在軋制過程中的厚度比發(fā)生了改變。

圖1 三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The microstructures of three typical Al/Ni composites

2.2 細(xì)觀幾何模型的建立方法

2.2.1 基于SEM 照片的細(xì)觀幾何模型生成方法

為了反映Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料真實(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，利用SEM 照片建立了細(xì)觀幾何模型［24］，截面如圖2 所示。通常，SEM 拍攝的區(qū)域有限，代表性體積單元（Representative volume element，RVE）的 尺 寸 過小，不足以模擬整個沖擊壓縮過程中材料細(xì)觀尺度上的變形行為及沖擊波傳播規(guī)律，因此需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ǐ@取尺寸更大的細(xì)觀模型。對于Al/Ni 粉末復(fù)合材料（1#、2#），由圖1 可知，其顆粒分布具有隨機(jī)性，即該材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)具有各向同性的特性。將基于SEM得到的矢量圖沿x、y兩個方向分別進(jìn)行鏡像處理，最終得到細(xì)觀幾何模型的截面尺寸為1 mm×1 mm。

對于Al/Ni 多層復(fù)合材料（3#），Al、Ni 兩相的細(xì)觀結(jié)構(gòu)均為細(xì)長型，近似于平行分布。在相關(guān)試驗(yàn)中［25］，受力方向通常與軸線方向平行（即與細(xì)觀尺度Al-Ni 界面垂直）。由于拍攝角度問題，SEM 照片與試件軸線呈一定的夾角。因此，需將所得到的RVE 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使之與實(shí)際受力情況相符合。同時(shí)，由于Al/Ni多層復(fù)合材料的顆粒較大，所建立的細(xì)觀幾何模型尺寸需要大于粉末復(fù)合材料的尺寸，以消除邊界效應(yīng)的影響。將所得到的矢量圖進(jìn)行鏡像或平移，得到截面尺寸為5 mm×5 mm 的細(xì)觀幾何模型。將基于SEM 得到的模型截面沿其垂直方向拉伸，最終得到具有真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料切片，用于模擬Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料中任一橫截面切片中的沖擊波傳播過程。

圖2 基于SEM 照片建立的三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀仿真模型Fig.2 The mesoscale model established based on SEM images for three typical Al/Ni composites

為了驗(yàn)證上述建模方法得到的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型材料配比與真實(shí)材料的一致性，通過提取細(xì)觀模型中各細(xì)觀相的體積，從而獲取細(xì)觀模型中Al 的體積百分?jǐn)?shù)，如表1 所示。將細(xì)觀模型中Al 的體積分?jǐn)?shù)與材料制備時(shí)的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者誤差不超過10%，說明本研究所選取的幾種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料RVE均能夠反映材料內(nèi)部的真實(shí)情況。

表1 三種Al/Ni 材料細(xì)觀模型與真實(shí)材料中Al 的含量對比Table 1 Comparison of the volume fraction of Al in mesoscale model and real material %

2.2.2 基于顆粒初始形態(tài)的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細(xì)觀幾何模型

在含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)特性細(xì)觀模擬中，最常用的方法是結(jié)合材料中初始顆粒細(xì)觀分布特性（材料配比、尺寸、幾何形態(tài)）建立滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型。因此，本研究按照材料顆粒的初始形態(tài)特征對幾種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了均勻化細(xì)觀建模，用于與基于SEM 照片生成的細(xì)觀模型的對比研究。

基于1#和2#材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征（圖1），在均勻化細(xì)觀幾何模型中，將Ni 設(shè)置為基體材料，而Al 按照其顆粒初始形態(tài)建立為等粒徑（R=11.5 μm）的圓形顆粒。Al 顆粒的位置（xi，yi）按照隨機(jī)分布方法進(jìn)行分配［21］，在此過程中需保證顆粒間互不重疊：

對于3#材料，由SEM 照片（圖1）可知，其細(xì)觀層近似于平行分布。保持Al、Ni 細(xì)觀層厚度比為原始材料層厚度比（1.6∶1），取Ni 的厚度為0.2 mm，可建立Al/Ni 多層復(fù)合材料細(xì)觀模型。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的均勻化細(xì)觀模型截面如圖3 所示。

圖3 Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細(xì)觀仿真模型Fig.3 The mesoscale model established with homogenization method for three typical Al/Ni composites

雖然此方法建立的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型材料配比與其真實(shí)材料配比完全一致，但是，通過與細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片對比可以發(fā)現(xiàn)，基于材料初始顆粒形態(tài)的均勻化細(xì)觀幾何模型既無法體現(xiàn)Al/Ni 粉末復(fù)合材料（1#、2#）在制備過程中發(fā)生的變形和團(tuán)聚現(xiàn)象，也無法體現(xiàn)Al/Ni 多層復(fù)合材料（3#）在軋制過程中兩相厚度比的改變及Ni 相的斷裂，與材料真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在較大差異。

2.3 材料模型

Johnson-Cook（J-C）模型［26］是常見的用于描述金屬材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫情況下熱力學(xué)行為的材料模型。該模型具有形式簡單、準(zhǔn)確性好且相關(guān)材料參數(shù)容易從單項(xiàng)試驗(yàn)中獲得等優(yōu)點(diǎn)。本研究選取Johnson-Cook（J-C）模型描述高應(yīng)變率下Al、Ni 材料的力學(xué)行為，其表達(dá)式為：

式中，σe為等效應(yīng)力，Pa；εe為等效應(yīng)變；為無量綱塑性應(yīng)變率；ε˙0為參考應(yīng)變率，s-1；T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom)為無量綱溫度；Y是參考應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度，由準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)確定，Pa；B，n′，c和m′是材料常數(shù)。定義G為材料的剪切模量，Pa；λT為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。材料參數(shù)［27-33］列于表2。

表2 Al、Ni 材料的參數(shù)Table 2 Material parameters for the constitutive model

Al、Ni 的 沖 擊 響 應(yīng) 行 為 由Mie-Grüneisen 狀 態(tài)ε˙*=ε˙e/ε˙0方程［34］描述，該方程是常用的一種描述固體在沖擊波高壓條件下行為的物態(tài)方程，被廣泛地使用來描述材料沖擊壓縮后的狀態(tài)。其表達(dá)式為：

式中，C0是聲速，m·s-1；S為材料常數(shù)。

2.4 求解器及算法選擇

本研究主要采用ABAQUS/EXPLICIT 求解器模塊對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀尺度下沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行仿真模擬。該求解器適用于求解非線性動力學(xué)問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題，特別在模擬短暫、瞬時(shí)的動態(tài)事件（如沖擊和爆炸問題等）具有一定的優(yōu)勢。同時(shí)，考慮到材料在高速沖擊的高應(yīng)變率條件下將發(fā)生劇烈變形，本研究采用歐拉算法對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在沖擊壓縮條件下的動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行仿真模擬。為了對沖擊引起的溫升進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，選取溫度-位移耦合算法，網(wǎng)格形狀為八節(jié)點(diǎn)正六面體（EC3D8RT），各材料初始溫度為300 K。對于1#和2#材料，為了保證計(jì)算精度將歐拉域網(wǎng)格尺寸取為2 μm。另一方面，對于3#材料，由于其顆粒尺寸約為1#和2#材料的10 倍，為了提高計(jì)算效率，將其細(xì)觀模型的歐拉域網(wǎng)格尺寸取為10 μm。此外，為了模擬沖擊波的一維傳播過程并減少計(jì)算時(shí)間，歐拉域的厚度方向尺寸取為一個網(wǎng)格大小。對歐拉域的材料屬性進(jìn)行定義，并基于前述得到的細(xì)觀尺度幾何模型，對每個網(wǎng)格進(jìn)行物質(zhì)分配。

2.5 邊界條件

在細(xì)觀模型的左側(cè)建立剛性板，取其網(wǎng)格大小與歐拉域一致。剛性板以300～1500 m·s-1恒定速度對Al/Ni材料的細(xì)觀模型進(jìn)行壓縮，則材料中的粒子速度Up即為剛性板的壓縮速度。由于細(xì)觀模型尺寸小于實(shí)際試樣尺寸，為了模擬理想周期性材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和一維壓縮條件，在除加載面以外的各個面均施加對稱邊界條件。

3 結(jié)果與討論

為了研究典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀熱力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，對2#和3#兩種具有典型細(xì)觀結(jié)構(gòu)的Al/Ni材料在沖擊壓縮過程中的顆粒變形、壓力分布及溫度分布情況進(jìn)行分析。為了保證對比的有效性，本研究所示均為沖擊波傳播至細(xì)觀模型相同位置（沖擊壓縮方向中點(diǎn)附近）的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，對三種典型Al/Ni復(fù)合材料沖擊Hugoniot 參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 典型Al/Ni 粉末復(fù)合材料沖擊壓縮細(xì)觀模擬計(jì)算結(jié)果

3.1.1 細(xì)觀顆粒變形情況

在三個典型沖擊壓縮速度下，基于SEM 照片建立的2#材料細(xì)觀模型中顆粒變形情況如圖4 所示。由于Al/Ni 粉末顆粒尺寸太小，此處對局部區(qū)域進(jìn)行放大處理，并保證圖片具有相同放大比。從計(jì)算結(jié)果可以看出，Up=300 m·s-1時(shí)，材料內(nèi)部的細(xì)觀顆粒無明顯變形。隨著Up上升至1200 m·s-1，顆粒變形逐漸劇烈。同時(shí)，在沖擊加載條件下，材料體積發(fā)生了壓縮。Up從300 m·s-1上升至1200 m·s-1的過程中，原始橫向沖擊壓縮方向）尺寸為0.45 mm 的區(qū)域壓縮為0.35 mm，相對壓縮率為22.2%。因此，沖擊壓縮下的材料內(nèi)部主要發(fā)生了顆粒變形和體積壓縮兩個過程。

另一方面，基于材料顆粒初始形態(tài)的2#材料均勻化細(xì)觀模型沖擊壓縮顆粒變形情況如圖5 所示。計(jì)算結(jié)果表明，在沖擊加載條件下，初始顆粒形狀規(guī)則且尺寸均勻的Al 顆粒發(fā)生了變形。當(dāng)沖擊速度達(dá)到800 m·s-1以上時(shí)，能夠明顯觀測到Al 顆粒的大變形及顆粒間的融合現(xiàn)象。由于2#材料的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)中，Al 顆粒間存在團(tuán)聚現(xiàn)象，因此通過粉末壓制法制備的材料實(shí)際顆粒尺寸大于材料粉末的初始尺寸。而圖5 所示細(xì)觀模型的初始狀態(tài)中，Al 顆粒間相互間隔且保持初始顆粒尺寸，在沖擊壓縮過程中的變形相比于基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果更加劇烈。

圖4 2#材料在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.4 The deformation of particles in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

圖5 2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.5 The deformation of particles in material 2#at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

3.1.2 沖擊壓力及溫度計(jì)算結(jié)果

圖6 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的2#材料中壓力和溫度分布情況。從圖6 可以看出，材料內(nèi)部壓力和溫度分布不均勻。隨著Up從300 m·s-1提高至1200 m·s-1，沖擊壓力最高值從8.8 GPa 上升至52.5 GPa，同時(shí)沖擊溫度最大值從452 K升高至2118 K。沖擊壓縮過程中，材料溫升的主要來源是顆粒變形產(chǎn)生的塑性功和沖擊壓縮引起的體積壓縮功。因此，沖擊壓縮速度越高，顆粒變形和體積壓縮越顯著，材料內(nèi)部的沖擊溫度越高。假設(shè)Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊反應(yīng)過程主要是由溫度控制的。當(dāng)沖擊溫度超過反應(yīng)閾值時(shí)，該材料發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率隨溫度的升高而增高，直至達(dá)到最大值，實(shí)現(xiàn)完全化學(xué)反應(yīng)［27，36］。從細(xì)觀仿真的角度進(jìn)行分析，可以推論：沖擊速度的增加可以促使沖擊溫度升高，從而加快化學(xué)反應(yīng)速率，最終釋放出更多的能量。這一推論與相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果吻合［25，37］。

2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的壓力和溫度分布情況如圖7 所示。當(dāng)Up從300 m·s-1升高至1200 m·s-1時(shí)，最大沖擊壓力從8.5 GPa 升高至54.7 GPa，相應(yīng)的最大沖擊溫度從447 K 升高至2265 K。與由SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果相比，該模型計(jì)算的2#材料中細(xì)觀尺度壓力和溫度峰值差異不大，但分布壓力場和溫度場的分布更加均勻。當(dāng)Up達(dá)到800 m·s-1時(shí)，沖擊波波陣面后局部溫度超過Al 的熔點(diǎn)（933 K），Al 顆粒發(fā)生了局部變形，并與相鄰顆粒產(chǎn)生融合。隨著沖擊速度的增大，材料內(nèi)部溫度更高，因此Al 顆粒的變形和融合現(xiàn)象更加明顯。

圖6 2#材料細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.6 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

圖7 2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.7 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

3.2 典型Al/Ni 多層復(fù)合材料沖擊壓縮細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果

3.2.1 細(xì)觀顆粒變形情況

Al/Ni 多層復(fù)合材料與Al/Ni 粉末復(fù)合材料具有完全不同的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和細(xì)觀尺寸，相關(guān)試驗(yàn)也表明兩者的宏觀力學(xué)行為和沖擊釋能特性具有較大差異［24］。基于SEM 照片建立的3#材料細(xì)觀模型在典型沖擊速度下的顆粒變形情況，如圖8 所示。同前述計(jì)算結(jié)果，沖擊壓縮速度越高，細(xì)觀顆粒變形越劇烈，沖擊壓力和溫度也相應(yīng)增加。其中，顆粒變形情況主要表現(xiàn)為兩個方面：（1）Al、Ni 材料細(xì)觀層在壓縮加載下發(fā)生體積壓縮而變?。唬?）Ni 顆粒的兩端及中間初始厚度較薄區(qū)域比其他區(qū)域變形更快，從而出現(xiàn)類似于流體的流動現(xiàn)象，使其細(xì)觀顆粒更加彎曲甚至斷裂。

圖9 為厚度比為0.32/0.2 且各細(xì)觀層保持軋制之前初始形態(tài)的3#材料均勻化細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果，該結(jié)果與基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果存在較大差異。對于Al、Ni 細(xì)觀層，在沖擊壓縮過程中主要發(fā)生了體積壓縮，而無明顯變形現(xiàn)象。

圖8 基于SEM 的3#材料在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.8 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale modelwith SEM images

圖9 3#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.9 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

3.2.2 沖擊壓力及溫度計(jì)算結(jié)果

圖10 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的3#材料中壓力和溫度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。與2#材料相比，3#材料在沖擊壓縮過程中的壓力和溫度分布更加不均勻，且其分布情況均與材料的顆粒分布情況相關(guān)。從圖10 中壓力云圖可以看出，3#材料的沖擊波波陣面形狀為與波陣面處顆粒形狀相似的曲面。此外，從溫度分布云圖可以看出，Al 相的沖擊溫度顯著高于Ni 相，這是由于Al 的可壓縮性比Ni 好。當(dāng)沖擊速度Up=300 m·s-1時(shí)，該材料內(nèi)最高沖擊壓力為8.8 GPa，最高沖擊溫度為472 K。隨著Up提高至1200 m·s-1，沖擊壓力和沖擊溫度最大值分別升高至72 GPa 和2856 K。由此看出，3#材料內(nèi)的沖擊溫度和沖擊壓力高于2#材料。

圖10 基于SEM 的3#材料細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.10 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with SEM images

圖11 3#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.11 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

圖11 為3#材料均勻化細(xì)觀模型沖擊壓力和溫度計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，基于該細(xì)觀模型得到的材料內(nèi)沖擊波波陣面為與材料細(xì)觀層完全平行的平面，溫度分布云圖為與Al、Ni 材料位置相關(guān)的高、低溫間隔且平行分布的結(jié)構(gòu)。此外，由于細(xì)觀層結(jié)構(gòu)規(guī)則且均勻分布，該細(xì)觀模型的計(jì)算結(jié)果中無局部高溫、高壓點(diǎn)。因此，基于初始細(xì)觀形態(tài)建立的3#材料細(xì)觀模型無法預(yù)測沖擊壓縮局部高壓和熱點(diǎn)結(jié)果。

3.3 Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊Hugoniot參數(shù)計(jì)算

圖12 基于兩種細(xì)觀建模方法的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料Us-Up關(guān)系計(jì)算結(jié)果對比Fig.12 Comparison of the Us-Up relationship of Al/Ni materials calculated from two modelling methods

表3 三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)方程參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculated Hugoniot parameters of three Al/Ni composites

根據(jù)前述沖擊波參數(shù)的計(jì)算方法，得到了三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在不同沖擊壓縮速度Up下產(chǎn)生的沖擊波速度Us。對離散的Us-Up數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到了Hugoniot 參數(shù)，結(jié)果如圖12 和表3 所示。對于1#材料，兩種建模方法得到的計(jì)算結(jié)果無明顯差異。而對比2#材料兩種細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算得到聲速和沖擊波速度均高于細(xì)觀顆粒形狀均勻的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果。這主要是由于2#材料中的Al 顆粒含量高于1#材料，同時(shí)SEM 照片也表明2#材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)中的Al 顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象相比于1#材料更為顯著，因此采用均勻化建模方法得到的細(xì)觀模型不能準(zhǔn)確體現(xiàn)材料顆粒的分布情況。該結(jié)果表明，在材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)中，若顆粒分布較為離散，兩種建模方法計(jì)算的宏觀狀態(tài)方程參數(shù)結(jié)果相近；若某一顆粒含量較高而在細(xì)觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大面積的團(tuán)聚現(xiàn)象，應(yīng)優(yōu)先采用SEM 照片生成的細(xì)觀模型。另外，對于3#材料，基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算得到的材料聲速低于細(xì)觀層均勻化的模型計(jì)算結(jié)果，而基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型得到的材料參數(shù)S高于細(xì)觀層均勻化的模型計(jì)算結(jié)果。結(jié)合前述分析可知，細(xì)觀結(jié)構(gòu)均勻化建模方法不適用于描述Al/Ni 多層復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)行為。

4 結(jié)論

以三種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象，分析了材料配比、制備工藝對其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制，同時(shí)結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片和細(xì)觀顆粒初始形態(tài)建立了該類材料的沖擊壓縮細(xì)觀模型?；趦煞N細(xì)觀模擬方法的沖擊壓縮響應(yīng)特性計(jì)算結(jié)果得到如下規(guī)律：

（1）Al/Ni 粉末復(fù)合材料的細(xì)觀顆粒主要以Ni 為基體，且Al 顆粒隨著其含量的上升而發(fā)生團(tuán)聚；而Al/Ni 多層復(fù)合材料主要以Al 為基體，Ni 近似于平行分布其中。

（2）Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在不均勻特性，導(dǎo)致材料在沖擊壓縮過程中產(chǎn)生局部高壓和局部熱點(diǎn)，而這一特性無法由材料初始顆粒形態(tài)建立的均勻化細(xì)觀模型得到。

（3）在沖擊Hugoniot 參數(shù)計(jì)算方面，兩種建模方法對細(xì)觀顆粒分布較為離散的Al/Ni 粉末復(fù)合材料的計(jì)結(jié)果相近，但對于Al/Ni 多層復(fù)合材料及細(xì)觀結(jié)構(gòu)中存在顆粒大量團(tuán)聚的Al/Ni 粉末復(fù)合材料計(jì)算結(jié)果存在顯著差異。