王在成， 李姝妍， 姜春蘭， 蔡尚曄， 陳百權(quán)

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

聚四氟乙烯基鋁(PTFE/Al)含能材料及其應(yīng)用技術(shù)是近十年來高效毀傷領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).PTFE/Al含能材料是一種通過冷壓、燒結(jié)等工藝制備而成的新型多功能含能材料.通常情況下處于惰性狀態(tài)，在高溫高壓、強(qiáng)沖擊加載等條件下會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并釋放大量能量.由該材料制備而成的毀傷元(破片及藥型罩等)作用目標(biāo)時(shí)，除了利用機(jī)械動(dòng)能貫穿毀傷目標(biāo)外，還能耦合化學(xué)反應(yīng)釋能增強(qiáng)對目標(biāo)的破壞效果，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高效毀傷[1-4].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對PTFE/Al含能材料的研究多集中在材料沖擊反應(yīng)和作用性能的實(shí)驗(yàn)表征.李玲琴、張晶晶等[5-6]通過點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)、飛片撞擊實(shí)驗(yàn)研究了材料配方、制備工藝對材料含能及能量輸出特性的影響. 文獻(xiàn)[7-11]中通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、SHPB沖擊壓縮和破片高速撞擊等方法研究了PTFE/Al含能材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能、沖擊反應(yīng)臨界條件和沖擊反應(yīng)能量釋放特性.文獻(xiàn)[12-13]中通過飛片撞擊和爆炸驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究了不同配方、粒徑的PTFE/Al含能材料在高應(yīng)變率下的沖擊反應(yīng)行為.文獻(xiàn)[14-17]中通過彈道槍加載和聚能侵徹等實(shí)驗(yàn)研究了含能破片、含能射流等不同形式含能毀傷元的能量釋放特性、毀傷增強(qiáng)效應(yīng)及其影響因素.諸多學(xué)者主要基于零氧平衡條件下的PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%，26.5%)材料開展研究，然而與PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%，26.5%)材料相比，當(dāng)PTFE/Al材料中Al顆粒含量增加時(shí)，PTFE/Al材料密度提高、燃燒熱值更高[5]、屈服強(qiáng)度更大[7]，作為戰(zhàn)斗部毀傷元時(shí)，有利于提高毀傷性能.因此，結(jié)合戰(zhàn)斗部應(yīng)用需求，開展高Al含量的PTFE基材料研究對增強(qiáng)含能毀傷元威力具有重要意義.

本文將利用炸藥透鏡產(chǎn)生平面波加載PTFE/Al材料，研究PTFE/Al含能材料在炸藥爆炸加載條件下的沖擊壓縮特性及反應(yīng)行為.研究結(jié)果對于PTFE/Al材料的制備及工程化應(yīng)用具有參考價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

爆炸加載實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由雷管、炸藥透鏡、TNT炸藥、頂蓋、材料試件、錳銅壓阻傳感器、底座、連接螺栓、測試系統(tǒng)組成.炸藥透鏡外表面粘貼觸發(fā)探針，雷管引爆炸藥透鏡后，電探針導(dǎo)通，觸發(fā)恒流源工作，同時(shí)示波器和采集儀開始采集電壓數(shù)據(jù).隨后，沖擊波通過錳銅壓阻傳感器，使傳感器阻值發(fā)生變化，采集的電壓數(shù)據(jù)隨之變化.根據(jù)傳感器阻值與壓力標(biāo)定關(guān)系可將示波器、采集儀采集到的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為測得的壓力值.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示.

圖1 平面波加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

在炸藥透鏡與待測材料間設(shè)置了頂蓋保護(hù)測試線路，以保證測試信號可靠記錄.待測材料試件直徑為55 mm，厚度小于材料直徑的1/10，以減小沖擊波在材料邊界反射對測試結(jié)果的影響.錳銅壓阻傳感器置于待測材料薄片之間，為保證傳感器與各層待測材料緊密貼合，使用螺栓連接頂蓋與底座.裝配時(shí)使傳感器敏感部位處于試件中心，降低傳感器位置誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響.

錳銅壓阻傳感器電阻值與壓力轉(zhuǎn)換為

(1)

式中：p為沖擊波壓力；ΔR為傳感器電阻變化值；R0為傳感器電阻值.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

選用粒度為10 μm的Al粉和34 μm的PTFE 粉，按照高Al含量，采用PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)配方，對粉末進(jìn)行原料混合、粉末體干燥.將混合后粉體倒入模具，利用壓機(jī)將其冷壓成型，成型坯料放置24 h以釋放材料內(nèi)殘余應(yīng)力.最后利用燒結(jié)爐對材料進(jìn)行燒結(jié)制備，燒結(jié)溫度曲線如圖3所示.最終制備得到PTFE/Al材料坯體，通過機(jī)械加工得到直徑為55 mm、不同厚度的試件，PTFE/Al材料試件如圖4所示.各組實(shí)驗(yàn)試件數(shù)量及厚度配置見表1.

圖3 燒結(jié)溫度-時(shí)間曲線

圖4 PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)試件

表1 PTFE/Al雨果尼奧參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含能材料在沖擊載荷作用下的反應(yīng)行為

圖5給出了不同工況、不同位置處錳銅壓阻傳感器所測得的典型壓力-時(shí)間曲線.表2給出了各實(shí)驗(yàn)工況下的壓力特征統(tǒng)計(jì).

圖5 PTFE/Al不同位置處壓力-時(shí)間曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得沖擊波壓力時(shí)程曲線可知，沖擊波傳播到各位置處時(shí)壓力瞬間達(dá)到峰值.圖5(a)中可以看出，在位置1處，沖擊波壓力到達(dá)峰值后逐漸衰減，2 μs左右以后又出現(xiàn)較為明顯的壓力上升趨勢；在位置2、3處，沖擊波壓力衰減2 μs左右后再次出現(xiàn)上升.從圖5(b)中可以看出，在沖擊波到達(dá)峰值壓力2.0～2.5 μs后，各個(gè)位置的壓力開始回升.

表2 沖擊波壓力及是否引發(fā)含能材料反應(yīng)統(tǒng)計(jì)

各記錄位置處沖擊波壓力出現(xiàn)先突躍上升后逐漸下降而后再上升的變化現(xiàn)象，可以通過PTFE/Al含能材料在爆炸加載下的沖擊反應(yīng)釋能特性來解釋.圖6為沖擊波引發(fā)PTFE/Al含能材料反應(yīng)過程示意圖.當(dāng)爆炸沖擊波進(jìn)入PTFE/Al材料后，材料首先發(fā)生壓縮變形.在壓縮區(qū)PTFE發(fā)生變形、升溫及部分熔化、分解的過程；而后在化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，Al顆粒暴露在分解的聚四氟乙烯氛圍中會(huì)與PTFE發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放能量，從而引起壓力的升高.但與炸藥爆轟反應(yīng)機(jī)理不同的是，沖擊波在含能材料中傳播引發(fā)Al顆粒與PTFE反應(yīng)的速率遠(yuǎn)低于炸藥中的化學(xué)反應(yīng)速率.PTFE/Al含能材料的沖擊化學(xué)反應(yīng)區(qū)位于壓縮區(qū)之后，且滯后于波陣面的傳播，它不能及時(shí)補(bǔ)償沖擊波傳播過程中的能量損失，由此產(chǎn)生反應(yīng)延遲及壓力上升滯后于沖擊波傳播的現(xiàn)象.此外，隨著傳播距離不斷增大，沖擊波峰值壓力不斷減小，其初始沖擊能量也相應(yīng)減小，導(dǎo)致對材料的壓縮程度降低，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料占比及反應(yīng)劇烈程度也下降，在一定距離后，材料化學(xué)反應(yīng)將不會(huì)被激發(fā).由此可知，PTFE/Al含能材料不能形成類似炸藥爆轟的持續(xù)傳播反應(yīng).

圖6 沖擊波引發(fā)含能材料反應(yīng)過程示意圖

位置1處出現(xiàn)壓力再次上升表明此處沖擊波能夠引起材料反應(yīng)，而位置2、3、4處沒有出現(xiàn)壓力再次上升則表明此處沖擊波未能引發(fā)材料反應(yīng)，據(jù)此確定能夠引發(fā)PTFE/Al材料反應(yīng)最小沖擊波壓力的上限范圍及下限范圍.依據(jù)表2可知，位置1出現(xiàn)壓力再次上升的沖擊波最小壓力值為17.98 GPa，而位置2、3、4處沖擊波壓力小于12.19 GPa時(shí)，均未引起壓力上升.測得沖擊波壓力低于12.19 GPa且未引發(fā)材料反應(yīng)的最大壓力為11.93 GPa，因此沖擊波能夠引發(fā)整體塊狀PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)材料反應(yīng)的壓力最小值在11.93～17.98 GPa之間.

從沖擊波加載達(dá)到壓力峰值至出現(xiàn)反應(yīng)引起壓力升高之間的時(shí)間定義為反應(yīng)延遲時(shí)間.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，對于實(shí)驗(yàn)所研究的塊狀PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)材料，沖擊波引發(fā)的反應(yīng)延遲時(shí)間在1.0～2.6 μs范圍內(nèi)，且多集中于2 μs附近.

2.2 PTFE/Al含能材料雨果尼奧關(guān)系

材料的雨果尼奧曲線是不同強(qiáng)度沖擊波作用下材料由初態(tài)突躍到終態(tài)狀態(tài)點(diǎn)的連線，它的實(shí)驗(yàn)測量是建立材料物態(tài)方程的依據(jù).材料的雨果尼奧曲線可以通過測量在沖擊加載下材料中所形成的沖擊波參數(shù)來得到.表3給出了爆炸加載實(shí)驗(yàn)下PTFE/Al材料中所測得的沖擊波相關(guān)參數(shù).根據(jù)6組實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，計(jì)算可得對應(yīng)位置處質(zhì)點(diǎn)速度及對應(yīng)沖擊波波速如表3所示，

圖7給出了表3中PTFE/Al含能材料對應(yīng)位置處質(zhì)點(diǎn)速度及對應(yīng)沖擊波波速數(shù)據(jù)圖.

表3 PTFE/Al材料沖擊波實(shí)驗(yàn)值及相關(guān)參數(shù)

圖7 PTFE/Al含能材料Ds-up關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子速度大于1.6 mm·μs-1時(shí)，得到?jīng)_擊波波速與粒子速度所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)較為分散，導(dǎo)致誤差增大，故選取粒子速度小于1.6 mm·μs-1時(shí)的實(shí)驗(yàn)值擬合材料沖擊波速度與波后質(zhì)點(diǎn)速度關(guān)系式為

Ds=a+bup

(2)

得到a=2.96 mm·μs-1為材料聲速，b=1.20為材料經(jīng)驗(yàn)參數(shù).已知PTFE/Al材料密度為2.425 g·cm-3.則材料雨果尼奧關(guān)系為

p=2.425(2.96+1.20up)up

(3)

相應(yīng)的PTFE/Al材料雨果尼奧p-up曲線、p-ν曲線分別如圖8和圖9所示.

圖8 Al/PTFE雨果尼奧p-up曲線

圖9 Al/PTFE雨果尼奧p-ν曲線

2.3 PTFE/Al含能材料的物態(tài)方程

描述固體狀態(tài)方程的理論越精確就越復(fù)雜，采取適當(dāng)方法建立實(shí)用價(jià)值高、可靠性好的半經(jīng)驗(yàn)高壓固體狀態(tài)方程對于相關(guān)器件的設(shè)計(jì)計(jì)算和數(shù)值仿真研究具有十分重要的實(shí)際意義.通常材料內(nèi)的壓強(qiáng)與能量由兩部分組成，一部分與材料內(nèi)粒子的熱運(yùn)動(dòng)無關(guān)，稱為冷能與冷壓，另一部為材料內(nèi)粒子熱運(yùn)動(dòng)帶來的壓強(qiáng)與能量貢獻(xiàn)值[18].當(dāng)材料受到?jīng)_擊壓力較小時(shí)，忽略材料內(nèi)粒子的熱運(yùn)動(dòng)對材料狀態(tài)描述影響不大，其中使用米埃勢離子間相互作用能推導(dǎo)單位質(zhì)量的冷能與冷壓，在較低壓強(qiáng)下得到的狀態(tài)方程即為穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程.而求解包含熱能與熱壓的狀態(tài)方程主要依靠格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程.以下根據(jù)沖擊波波陣面上的基本關(guān)系式(4)～(6)，通過爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)測定等溫壓縮線、沖擊壓縮雨果尼奧曲線或等熵壓縮曲線相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)理論狀態(tài)方程形式對其標(biāo)定，獲得待測材料的兩種典型狀態(tài)方程.

ρ0(D-u0)=ρ(D-up)

(4)

p-p0=ρ0(D0-u0)(up-u0)

(5)

(6)

2.3.1Murnagham狀態(tài)方程的確定

根據(jù)穆爾納罕(Murnagham)固體狀態(tài)方程表達(dá)式為

(7)

式中:A=Ks0/n=ρ0C02/(4b-1)，n=4b-1，C0為材料聲速(即由實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)a)，b為材料經(jīng)驗(yàn)參數(shù).根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果計(jì)算可得PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)材料相關(guān)參數(shù)n=3.8，A=5.59.則PTFE/Al狀態(tài)方程為

(8)

ν為材料比容，計(jì)算得到的PTFE/Al材料穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)曲線與實(shí)驗(yàn)值的對比如圖10.在實(shí)驗(yàn)所測試的爆炸沖擊載荷范圍內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果具有較好的一致性.

圖10 PTFE/Al穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)p -ν曲線

2.3.2Mie-Grüneisen狀態(tài)方程的確定

根據(jù)測試結(jié)果可知，PTFE/Al材料受到?jīng)_擊載荷加載后，延遲2 μs左右引起材料發(fā)生反應(yīng)，在沖擊波到達(dá)瞬間，材料并未發(fā)生反應(yīng)引起成分變化，因而在沖擊壓縮瞬間可將其視為惰性材料.根據(jù)惰性材料在高壓下的沖擊壓縮狀態(tài)方程求解辦法[18-19]，可通過PTFE/Al材料雨果尼奧關(guān)系確定材料的格林尼森系數(shù)Г(ν).

① Grüneisen系數(shù)Г(ν)的確定.

材料沖擊壓縮雨果尼奧曲線為

(9)

文獻(xiàn)給出Grüneisen系數(shù)Г(ν)可借助于實(shí)驗(yàn)測出的雨果尼奧參數(shù)得到，利用如下公式進(jìn)行：

Гs=

(10)

式中a，b為雨果尼奧關(guān)系Ds=a+bup中的擬合系數(shù).

聯(lián)立沖擊波陣面守恒方程(4)～(6)得到材料比容ν與沖擊波速度Ds關(guān)系式(11)，代入式(10)可將Г(Ds)轉(zhuǎn)化為格林尼森系數(shù)Г(ν).

(11)

② Grüneisen狀態(tài)方程的確定.

在流體模型與諧振子模型近似下，由格林尼森(Grüneisen)物態(tài)方程與Rankin-Hugoniot能量方程得到固體狀態(tài)方程計(jì)算模型為

(12)

材料的冷能和冷壓可由Born-Meyer勢來表述，形式如下：

(13)

(14)

式中:δ=ν0/ν，為材料在溫度為0 K時(shí)的壓縮度；ν0為該條件下的材料比容；Q、q為材料常數(shù)，可由胡金彪等[20]給出的方法解得

(15)

(16)

PTFE/Al材料聲速及材料常數(shù)已通過實(shí)驗(yàn)得到a=2.96 mm·μs-1，b=1.20.代入式(15)(16)可解得材料常數(shù)Q=13.237 GPa,q=6.815.

將Q、q代入式(13)(14)可得材料冷能及冷壓隨比容的變化關(guān)系.將材料冷能、冷壓與格林尼森系數(shù)Г(ν)帶入式(12)得到材料格林尼森(Grüneisen)p-ν狀態(tài)方程，PTFE/Al材料格林尼森狀態(tài)曲線計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值如圖11所示.

圖11 PTFE/Al Grüneisen狀態(tài)曲線

利用PTFE/Al材料的穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程和格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程計(jì)算得到材料狀態(tài)參數(shù)曲線與實(shí)驗(yàn)值對比如圖12所示.

圖12 PTFE/Al材料狀態(tài)方程曲線

從圖中可以看出，當(dāng)沖擊壓力小于15 GPa時(shí)，兩種狀態(tài)方程對材料的描述基本一致，當(dāng)沖擊壓力大于15 GPa時(shí)，兩種狀態(tài)方程對材料的描述略有差距.在實(shí)驗(yàn)研究沖擊載荷范圍內(nèi)，穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程和格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程能較好描述材料在沖擊載荷作用下的狀態(tài).

3 結(jié) 論

利用炸藥爆炸加載手段對PTFE/Al含能材料的沖擊雨果尼奧曲線進(jìn)行了系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)測量和分析,并在此基礎(chǔ)上建立了材料的狀態(tài)方程.從而對材料在沖擊加載下的狀態(tài)變化行為給出了一個(gè)定量的描述.主要結(jié)論如下：

① PTFE/Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，50%)含能材料在爆炸沖擊載荷作用下會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使材料中壓力升高.能夠引發(fā)材料反應(yīng)的最小沖擊波壓力范圍在11.93～17.98 GPa之間，沖擊引發(fā)的PTFE/Al材料反應(yīng)具有延遲現(xiàn)象，反應(yīng)延遲時(shí)間范圍在1.0～2.6 μs之間.

② 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到PTFE/Al材料在粒子速度小于1.6 mm·μs-1時(shí)的沖擊雨果尼奧方程，P=2.425(2.96+1.20up)up.結(jié)合測定的材料沖擊壓縮雨果尼奧方程，計(jì)算了該材料的穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程、格林尼森(Grüneisen)系數(shù)Г(ν)與狀態(tài)方程，兩種狀態(tài)方程能較好描述PTFE/Al材料在爆炸沖擊載荷作用下的狀態(tài).

③ 利用炸藥透鏡和錳銅壓阻測試方法，可有效測量沖擊波在PTFE/Al材料中的傳播過程，測試數(shù)據(jù)對于爆炸沖擊波引發(fā)PTFE/Al材料反應(yīng)及其沖擊壓縮關(guān)系研究具有重要意義.