耿寶群， 鄭元楓， 肖艷文， 余慶波， 葛超， 郭煥果， 王海福

(1.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；2.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100072)

功能梯度材料是在特定方向上，材料特性隨空間分布發(fā)生變化的一種復(fù)合材料[1]. 通過設(shè)計材料分布及微觀結(jié)構(gòu)，材料特性，如力學(xué)特性，熱效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)定向優(yōu)化[2],是高速碰撞領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一[3-4].

活性材料是一種聚合物基高鈍感、高含能量的含能材料[5]. 彈道碰撞實(shí)驗(yàn)中，活性材料破片可以有效貫穿靶板，在撞擊載荷作用下材料發(fā)生塑性變形并激活，一定弛豫時間內(nèi)碎片云狀的活性剩余侵徹體劇烈反應(yīng)，在在靶后形成反應(yīng)區(qū)[6]，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的動能和化學(xué)能聯(lián)合高效毀傷，被認(rèn)為是殺傷戰(zhàn)斗部中惰性金屬的潛在替換材料.

通過改變材料成型過程，均一的活性材料的毀傷能力還有極大提升空間[7]. 現(xiàn)階段材料工藝研究集中在模制壓力，燒結(jié)溫度等因素對均一活性材料的力學(xué)特性及沖擊響應(yīng)特性的優(yōu)化設(shè)計[8-9]. 對于梯度壓力分布活性材料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析，結(jié)論性研究成果未見公開發(fā)表.

在本文中，采用梯度壓力成型的方法制備了一種3階梯度壓力分布活性材料，并對其準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性及失效行為進(jìn)行研究，為活性材料功能梯度化設(shè)計提供有益參考.

1 材料制備

實(shí)驗(yàn)用PTFE粉和Al粉以零氧平衡配比(PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)73.5%/Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.5%)混合制備初始粉體，其中Al粉顆粒(FLPA 630型)平均粒徑尺寸為325 μm. 兩種粉體放置于60 ℃真空環(huán)境中烘干2 h后，用攪拌機(jī)干法混合2 h，得到初始粉體.

圖1為活性材料制備流程. 首先將已稱重的初始粉體填裝到成型模具中，并以P1模制壓力將粉體冷壓成型，得到第一層壓實(shí)成型粉體. 隨后第二次向模具中填入等質(zhì)量的粉體冷壓成型，模制壓力為P2. 同理以P3模制壓力將最后一批等質(zhì)量粉體成型. 退模得到3階功能梯度PTFE/Al活性材料. 可通過增加成型次數(shù)將功能梯度活性材料階數(shù)提高.

圖1 梯度壓力分布活性材料制備流程示意圖

實(shí)驗(yàn)中，模制壓力選擇范圍為10,30和50 MPa. 模制壓力相等時為零梯度，模制壓力遞減時為逆梯度，遞增時為順梯度[10]. 本實(shí)驗(yàn)中不考慮耦合梯度壓力，僅考慮單一趨勢梯度壓力. 成型實(shí)驗(yàn)中用活性材料粉體在模制壓力下保壓3 min卸載.

冷壓梯度壓力分布活性材料試樣在室溫環(huán)境下放置24 h. 并將部分試樣在惰性氣體環(huán)境下高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)試樣對應(yīng)高溫?zé)Y(jié)溫度循環(huán)過程如圖2所示. 燒結(jié)初始加熱階段，在真空環(huán)境下，0.5 h內(nèi)將試樣從室溫加熱至200 ℃，隨后2 h加熱到燒結(jié)溫度360 ℃，并在此溫度下燒結(jié)3 h后停止加熱，活性材料試樣在4.5 h后冷卻至室溫，活性材料試樣照片如圖3所示.

圖2 燒結(jié)循環(huán)溫度曲線

實(shí)驗(yàn)中材料編號及對應(yīng)模制壓力及梯度壓力如表1所示. 10，30和50 MPa為零梯度壓力分布活性材料試樣記分別為A1、B1和C1. 高溫?zé)Y(jié)后的A1、B1和C1試樣記為A2、B2和C2.

順梯度壓力分布活性材料試樣記為D1，逆梯度壓力分布試樣記為D3. 高溫?zé)Y(jié)后的D1和D3試樣分別記為D2和D4.

將10 MPa模制壓力單次成形的均一活性材料記為A3，同理30 MPa和50 MPa的均一活性材料記為B3和C3. A4、B4和C4為高溫?zé)Y(jié)后的A3、B3和C3試樣.

2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，在常溫下對梯度壓力分布活性材料試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn). 將梯度壓力分布活性材料首壓實(shí)層與下壓盤接觸，末壓實(shí)層與上壓盤接觸，如圖4所示. 以10-3s-1恒定應(yīng)變率加載實(shí)驗(yàn)試樣，每種試樣進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn). 材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表述為

εT=ln(1+H/X)

(1)

σT=(F/D)ln(1+H/X)

(2)

式中：σT和εT為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中活性材料的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變；F和X分別為材料試驗(yàn)機(jī)在壓縮過程中記錄的壓力及位移數(shù)據(jù)；D為試樣首壓實(shí)層，中間壓實(shí)層和末壓實(shí)層初始直徑平均值；H為試樣高度.

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在梯度壓力分布活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，隨著真實(shí)應(yīng)變的增加，真實(shí)應(yīng)力均出現(xiàn)先增加后下降趨勢，即活性材料受壓后均出現(xiàn)壓縮失效，如圖5所示. 可以看出，冷壓和冷壓燒結(jié)的零梯度壓力分布試樣準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢整體上吻合，略高于同模制壓力的均一活性材料.

從圖5(a)知，冷壓試樣經(jīng)歷彈性階段，短暫的彈塑性階段后失效[11]. A1、B1、C1試樣失效應(yīng)力和失效應(yīng)變依次增加，說明隨著模制壓力提高，試樣增強(qiáng)增韌.

圖5 零梯度壓力分布活性材料和均一活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

從圖5(b)知，冷壓燒結(jié)試樣表現(xiàn)為雙線性等向強(qiáng)化材料，在彈性階段后，出現(xiàn)顯著的彈塑性階段后失效，切線模量為正且低于彈性模量. A2、B2、C2試樣失效應(yīng)力增加，失效應(yīng)變降低，材料增強(qiáng)但更早失效.

逆梯度壓力，零梯度壓力和順梯度壓力分布活性材料冷壓試樣和冷壓燒結(jié)試樣的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖6所示.

從圖6(a)中可以看出，順梯度壓力分布活性材料D1失效強(qiáng)度為11.03 MPa，與C1的失效強(qiáng)度11.64 MPa接近，且高于B1的失效強(qiáng)度9.43 MPa. 說明10 MPa-30 MPa-50 MPa順梯度壓力分布試樣壓縮失效強(qiáng)度與最高模制壓力(50 MPa)的零梯度壓力試樣接近. 逆梯度壓力分布活性材料D3失效強(qiáng)度為4.302 MPa，與A1的失效強(qiáng)度3.457 MPa接近，但顯著低于B1的失效強(qiáng)度. 結(jié)果表明，說明以50 MPa-30 MPa-10 MPa逆梯度壓力分布試樣壓縮失效強(qiáng)度與最低模制壓力(10 MPa)的零梯度壓力分布試樣接近. 圖6(a)還可看出，逆梯度壓力分布活性材料更早結(jié)束彈性階段，達(dá)到失效應(yīng)變.

燒結(jié)后試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮結(jié)果如圖6(b)所示，順梯度壓力分布活性材料D2失效強(qiáng)度為34.17 MPa，比C2和B2的失效強(qiáng)度33.59 MPa和33.23 MPa接近. 逆梯度壓力分布活性材料D4失效強(qiáng)度為31.8 MPa，比A2試樣強(qiáng)度提高 1.83 MPa，比B2失效強(qiáng)度降低1.43 MPa. 燒結(jié)后梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度均發(fā)生大幅提高，失效強(qiáng)度由4.313 MPa提高為31.80 MPa. 由圖6(b)知，燒結(jié)后逆梯度壓力梯度壓力分布活性材料壓縮失效過程與順梯度壓力梯度壓力分布試樣接近，彈性段后為顯著彈塑性階段[11].

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梯度壓力分布對活性材料失效強(qiáng)度有顯著影響. 隨模制壓力提高，失效強(qiáng)度先增大，隨后趨于穩(wěn)定；順梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度與最高模制壓力零梯度壓力分布活性材料一致，而逆梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度接近最低模制壓力零梯度壓力分布活性材料.

3 失效機(jī)理分析

3.1 失效行為分析

圖7為功能梯度PTFE/Al活性材料壓縮失效典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 試樣A1壓縮失效后發(fā)生不規(guī)則破壞，沒有明顯的失效斷面，產(chǎn)生多條不規(guī)則擴(kuò)展裂紋. 試樣B1不規(guī)則擴(kuò)展裂紋數(shù)量減少，可以觀察到較為明顯一條延伸的裂紋. 試樣C1的出現(xiàn)規(guī)則的失效裂紋，與軸線約成30°方向產(chǎn)生裂紋. 試樣D1出現(xiàn)兩條與軸線約成45°方向的裂紋.

試樣D3失效行為有別于零梯度壓力和順梯度壓力試樣，末壓實(shí)層(10 MPa模制壓力)材料受壓，與上壓盤接觸部分向徑向膨脹，膨脹程度隨上壓盤移動方向逐漸降低，發(fā)生圓臺狀變形. 中間壓實(shí)層(30 MPa)和首壓實(shí)層(50 MPa)成型部分材料未發(fā)生顯著變化. 逆梯度壓力活性材料整體呈蘑菇狀破壞失效，具有最顯著的漸變失效行為. 燒結(jié)后功能梯度活性材料壓縮后發(fā)生徑向膨脹變形，材料便面無明顯裂紋. 其中逆梯度壓力分布的活性材料壓縮后，各壓實(shí)層出現(xiàn)不同程度的徑向膨脹. 中間壓實(shí)層(30 MPa)徑向膨脹程度最高，首壓實(shí)層(50 MPa)和末壓實(shí)層材料(10 MPa)徑向膨脹程度依次降低. 逆梯度壓力分布活性材料整體呈不規(guī)則圓鼓狀破壞失效.

將逆梯度壓力分布試樣D3進(jìn)一步充分準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，將試驗(yàn)機(jī)位移設(shè)定為活性材料高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示. 圖中實(shí)線為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 活性材料試樣在壓縮過程中出現(xiàn)多層分段失效，出現(xiàn)4個失效應(yīng)力峰值，失效應(yīng)變對應(yīng)圖中向上的箭頭位置. 各應(yīng)力峰值間材料的應(yīng)力先降后升，出現(xiàn)三處應(yīng)力拐點(diǎn)，如圖中向下的箭頭所示.

圖7 梯度壓力分布活性材料失效行為典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 逆梯度壓力分布活性材料充分準(zhǔn)靜態(tài)壓縮典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式(1)和試樣各壓實(shí)層層高，得到不同壓實(shí)層接觸面對應(yīng)的真實(shí)應(yīng)變，如圖中垂直的虛線所示. 虛線將圖8分為3個壓實(shí)層區(qū)域. 根據(jù)左下方的實(shí)驗(yàn)試樣表面顏色填涂各區(qū)域. 按壓縮壓實(shí)區(qū)次序，將壓縮過程中材料失效分為3個階段.

第一階段壓縮末壓實(shí)層，對應(yīng)最低成型壓力10 MPa，與圖7(a)中失效結(jié)果相同，功能梯度活性材料發(fā)生塑性變形，材料整體表現(xiàn)為蘑菇狀失效，材料應(yīng)力迅速上升達(dá)到第一應(yīng)力峰值. 隨著真實(shí)應(yīng)變增加，真實(shí)應(yīng)力逐漸降低至1.5 MPa，到達(dá)第一處應(yīng)力拐點(diǎn). 此時失效碎裂的活性材料向周向剝離. 隨著真實(shí)應(yīng)變增加，真實(shí)應(yīng)力出緩慢回升.

第二階段壓縮中間壓實(shí)層，對應(yīng)30 MPa成型壓力. 真實(shí)應(yīng)力迅速提高達(dá)到第二個應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值大小4.478 MPa接近第一應(yīng)力峰值的4.455 MPa. 此時材料失效形式仍為蘑菇狀失效，末壓實(shí)層已被充分壓縮形成連續(xù)的散開狀，首壓實(shí)層未發(fā)生顯著變形. 隨后真實(shí)應(yīng)力再次降低至0.23 MPa，到達(dá)第二處應(yīng)力拐點(diǎn)，并再次緩慢回升.

第三階段壓縮首壓實(shí)層，對應(yīng)最高成型壓力10 MPa，材料迅速達(dá)到第三失效峰值0.588 MPa，此時失效活性材料繼續(xù)周向剝離，末壓實(shí)層為圓餅形且無顯著變化. 進(jìn)一步壓縮活性材料，在第三處應(yīng)力拐點(diǎn)后，失效應(yīng)力達(dá)到第4個峰值2.474 MPa. 此時材料完全失效，如圖9所示，首壓實(shí)層材料失效后，表面有多條徑向和軸向裂紋，并與軸向剝離失效材料相連.

圖9 充分壓縮逆梯度壓力活性材料典型實(shí)驗(yàn)照片

將逆梯度壓力分布活性材料反向放置進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，記為反向壓縮，而原壓縮方式為正向壓縮，如圖10所示.

圖10 正、反向壓縮的梯度壓力分布活性材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖10中，正反兩方向冷壓成型的梯度壓力分布活性材料具有類似的多處應(yīng)力失效行為和失效應(yīng)變. 兩種壓縮失效的活性材料具有相同大小的第二個和第四個應(yīng)力峰值，但第一和第三失效應(yīng)力峰值存在差異.

3.2 失效機(jī)理討論

給定顆粒組分配比的活性材料具有理論最大密度[12]. PTFE/Al活性材料內(nèi)部隨機(jī)分布的顆粒間存在一定空隙[13]，在超過300 MPa模制壓力制備的活性材料實(shí)際密度低于最大理論密度[14]. 不高于50 MPa模制壓力制備的活性材料，隨模制壓力增大，材料孔隙度顯著降低，活性材料內(nèi)部顆粒致密化，材料實(shí)際密度增大. 活性材料壓縮強(qiáng)度與材料顆粒間正應(yīng)力形成的力鏈效應(yīng)有關(guān)，致密的顆粒分布有利于力鏈的形成及演化. 即高模制壓力的活性材料具有高材料密度和良好的材料壓縮強(qiáng)度. 研究表明[15]，單次冷壓成型材料實(shí)際密度可表述為

ρh=a+blnP-ch

(3)

式中：ρh為活性材料微元實(shí)際密度；P為模制壓力；h為沿成型壓力方向材料微元到載荷作用平面距離；a、b和c為常數(shù)且大于0.

假設(shè)后續(xù)成型壓力高于已壓實(shí)部分壓力時，才能對已壓實(shí)部分補(bǔ)充壓實(shí). 零梯度壓力分布活性材料與均一活性材料冷壓密度分布如圖11. 零梯度壓力分布活性材料三個壓實(shí)層密度分布相同，具有更致密的材料密度. 相鄰等厚度h0的壓實(shí)層間斷面，兩側(cè)微元出現(xiàn)密度階躍Δρh0，表述為

Δρh0=ch0

(4)

在中間壓實(shí)層和首壓實(shí)層密度高于對應(yīng)h處均一活性材料密度，密度差依次擴(kuò)大. 隨著材料層數(shù)增加，整體密度差異逐漸強(qiáng)化，模制壓力連續(xù)變化的功能梯度活性材料可以認(rèn)為是理想均一材料.

逆、順梯度壓力分布活性材料密度分布如圖12所示. 對于順梯度壓力分布活性材料，后續(xù)模制壓力對已成型活性材料仍能進(jìn)行補(bǔ)充壓實(shí)，界面間不存在顯著密度差，材料密度分布與對應(yīng)最大模制壓力成型的均一活性材料近似.

逆梯度壓力分布材料呈顯著功能梯度特性，在壓實(shí)層間斷面出現(xiàn)顯著地密度階躍，對應(yīng)密度階躍至差可表述為

Δρh-1=bln 5/3+ch2

(5)

Δρh-2=bln 3+ch1

(6)

式中Δρh-1和Δρh-2為中間壓實(shí)層與首壓實(shí)層、末壓實(shí)層的間斷面密度差.

圖11 零梯度壓力分布活性材料與均一活性材料冷壓成型密度分布

圖12 順、逆梯度壓力分布活性材料密度分布

由式(5)與式(6)可知，密度階躍值恒為正數(shù)，說明間斷面兩側(cè)材料存在顯著密度差異. 準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)中，低密度的首壓實(shí)層首先壓縮失效，遠(yuǎn)離材料軸心的低密度層活性材料持續(xù)軸向膨出，不影響材料失效.

而靠近軸心的活性材料逐漸密實(shí)，在接近第一的間斷面時，失效的材料已經(jīng)再次被壓實(shí)，真實(shí)應(yīng)力再次提高，與圖8中第一階段對應(yīng). 相類似的對中間壓實(shí)層和首壓實(shí)層材料壓縮，材料密度出現(xiàn)兩次階躍，同時在壓實(shí)層底部失效材料出現(xiàn)再次堆積密實(shí)，對應(yīng)圖8中第二和第三階段對應(yīng).

隨首壓實(shí)層厚度增加，材料末壓實(shí)層底部和中間壓實(shí)層頂部密度可能有重疊，如圖13所示，成型過程中密度會補(bǔ)充壓實(shí)，在中間層失效后首壓實(shí)層也部分失效，對應(yīng)第三應(yīng)力峰值顯著降低. 三層材料失效后軸心處不均勻堆積的活性材料壓縮失效，與圖9結(jié)果相吻合. 可以看出，提高梯度壓力分布活性材料相鄰壓實(shí)層間模制壓力，或高模制壓力層材料厚度增加，更易造成密度重疊區(qū). 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中出現(xiàn)多層不穩(wěn)定失效.

圖13 密度重疊區(qū)

燒結(jié)后材料基體發(fā)生熔化和重結(jié)晶過程，內(nèi)部產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力. 材料內(nèi)部顆粒分布發(fā)生顯著變化，顯著影響材料強(qiáng)度. 與燒結(jié)試樣失效行為提高結(jié)果相吻合.

4 結(jié) 論

通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了梯度壓力分布對活性材料力學(xué)特性的影響，從材料失效的角度出發(fā)，獲得了梯度壓力分布對活性材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)特性的影響規(guī)律. 主要結(jié)論如下：

① 逆梯度壓力分布活性材料具有最顯著的功能梯度特性，順梯度壓力分布活性材料失效強(qiáng)度與對應(yīng)最高模制壓力成型的零梯度壓力分布材料相同，零梯度壓力時材料壓縮特性略高于均一活性材料. 燒結(jié)后梯度壓力分布材料失效強(qiáng)度顯著提高.

② 隨模制壓力提高，冷壓成型的零梯度壓力分布活性材料從不規(guī)則破壞轉(zhuǎn)化為軸向45°破壞. 順梯度壓力材料與50 MPa零梯度壓力材料破壞形式相同. 逆梯度壓力分布活性材料呈蘑菇狀失效，充分壓縮出現(xiàn)4個失效應(yīng)力峰值. 燒結(jié)后梯度密度分布活性材料呈徑向膨脹變形.

③ 高模制壓力的活性材料具有高材料密度和良好的材料壓縮強(qiáng)度，模制壓力連續(xù)變化的梯度密度分布活性材料可以認(rèn)為是理想均一材料. 逆梯度壓力分布活性材料密度梯度分布及失效后軸心材料堆積密實(shí)造成材料多應(yīng)力峰值失效結(jié)果.