張 軍，吳家祥，任鑫鑫，姚 淼，武雙章，黃駿逸，李裕春

（1. 中國人民解放軍78102 部隊(duì)，四川 成都 610031；2. 陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 引言

鋁/聚四氟乙烯（Al/PTFE），是最具代表性的反應(yīng)材料之一，具有能量密度高、穩(wěn)定性好、較易制備等特性，在沖擊荷載作用下，Al 與PTFE 可發(fā)生高放熱的氧化還原反應(yīng)［1-3］，可制成具有撞擊?反應(yīng)雙重毀傷效應(yīng)的含能戰(zhàn)斗部。打擊目標(biāo)時(shí)，含能戰(zhàn)斗部除了具有常規(guī)彈丸的動能穿甲特性，還能釋放化學(xué)能，產(chǎn)生爆炸沖擊、超壓、燃燒等綜合殺傷效應(yīng)［4］。2009～2013 年，ATK 公司等國外研究機(jī)構(gòu)相繼披露了反應(yīng)材料在武器系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用研究［5-6］。近年來，國內(nèi)學(xué)者也開始廣泛開展反應(yīng)材料毀傷后效、釋能特性等應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)研究［7-9］。

相比于傳統(tǒng)含能材料，Al/PTFE 反應(yīng)材料雖然具有更優(yōu)異的物化特性，但其密度和強(qiáng)度等力學(xué)性能遠(yuǎn)不及金屬材料，因此無法作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)毀傷元使用。反應(yīng)材料在實(shí)際應(yīng)用方面研究的一個(gè)重要方向是提高其力學(xué)強(qiáng)度和整體密度以保證毀傷元的侵徹能力，同時(shí)還需要具有足夠高的能量釋放水平以確保侵徹后的殺傷效應(yīng)，此外材料也要足夠鈍感，防止在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸儲存、作戰(zhàn)使用等勤務(wù)操作過程中發(fā)生反應(yīng)。

基于反應(yīng)材料組分的可調(diào)控性，許多學(xué)者通過填充改性，在Al/PTFE 材料中引入其它具有優(yōu)異物化特性的物質(zhì)，研究對其力學(xué)性能、材料密度等性能的影響，探索Al/PTFE 反應(yīng)材料在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。金屬氫化物作為一種新型含能材料，近年來受到廣泛關(guān)注，于鐘深等［10-12］首次將TiH2添加到Al/PTFE 中開展力學(xué)性能、釋能特性等研究，結(jié)果表明，適量的TiH2不僅能提高材料的抗壓強(qiáng)度，還有助于提高能量釋放水平，是一種優(yōu)異的含能添加劑。ZrH2作為金屬氫化物的一種，具有較高的儲氫密度和安全穩(wěn)定性［13］，相關(guān)學(xué)者對其在傳統(tǒng)推進(jìn)劑和黑索今（RDX）基炸藥中的燃燒機(jī)理、能量特性等方面展開了一系列的研究［14-15］，本課題組首次將ZrH2引 入到Al/PTFE 中 并開展不同配比/粒徑條件下Al/ZrH2/PTFE 的熱反應(yīng)過程、力學(xué)性能與反應(yīng)特性等研究［16-17］，結(jié)果表明，ZrH2可在700～750 ℃發(fā)生活化分解，適量的ZrH2有助于提高材料的力學(xué)強(qiáng)度，且可以完全參與Al/PTFE 反應(yīng)，充分釋放能量，是一種優(yōu)異的高能添加劑，可在保證材料能量釋放水平的前提下，起到優(yōu)化材料性能的作用?；诖饲暗难芯炕A(chǔ)，本文采用冷壓燒結(jié)工藝制備了Al/ZrH2/PTFE、對比組Al/PTFE 和純PTFE 三種試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和落錘沖擊實(shí)驗(yàn)對比分析了三種材料的力學(xué)強(qiáng)度與撞擊感度，并繼續(xù)開展撞靶實(shí)驗(yàn)，對不同材料藥型罩對目標(biāo)靶板的毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料選取與試件制備

PTFE:平均粒徑25 μm，純度＞99.5%，上海三愛富新材料股份有限公司；Al 粉:平均粒徑1～2 μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司；ZrH2粉:平均粒徑10 μm，沈陽錦州海鑫金屬材料有限公司。

分別制備Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE、純PTFE 圓柱體（Φ10 mm×10 mm、Φ10 mm×3 mm）和球缺形藥型罩（2 mm 等壁厚，30 mm 口徑）試件，試件中Al、PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照化學(xué)平衡比（m（Al）∶m（PTFE）=26.5∶73.5）進(jìn)行配比，ZrH2含量占Al/ZrH2/PTFE 總質(zhì)量的10%，Al/ZrH2/PTFE 試件中Al、ZrH2與PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.8%∶10%∶66.2%。

試件制備過程:（1）混藥:將材料分別按照配方稱重置于燒杯中混合，加入適量的無水乙醇制成懸浮液，機(jī)械攪拌20 min 至充分混合，再放置于60 ℃的真空烘箱中保溫烘干至完全干燥。（2）模壓:將干燥混合物過篩（60 目）得到均勻粉末，再使用成型模具將干燥均勻粉末壓制成圓柱狀試件和球缺形藥形罩，壓制壓力為240 MPa，保壓時(shí)間為20 s。（3）燒結(jié):將壓制成型試件置于真空燒結(jié)爐中恒溫?zé)Y(jié)4 h，設(shè)定燒結(jié)溫度360 ℃，升溫速率90 ℃·h-1，降溫速率50 ℃·h-1。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

參照GB/T1039-1992《塑性力學(xué)性能試驗(yàn)方法總則?塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，采用CMT5105 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（最大加載力為100 kN）分別對三組試件（Φ10 mm×10 mm）進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，設(shè)定壓頭壓縮速率為6 mm·min-1。加載前在試件兩端涂抹適量凡士林以減少端部摩擦對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性與可靠性，對每組試件分別進(jìn)行3 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，記錄試件的應(yīng)力?應(yīng)變數(shù)據(jù)并取其平均值。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為27 ℃。

2.2.2 落錘實(shí)驗(yàn)

參照GJB772A-1997 601.2 特性落高法測試試件（Φ10 mm×3 mm）在中等應(yīng)變率（100～102s-1）范圍內(nèi)的撞擊感度。落錘質(zhì)量為10kg，下落高度范圍為0～160 cm，落錘在最大高度自由下落的撞擊能量為156.8 J，測試的應(yīng)變率范圍為0～200 s-1。實(shí)驗(yàn)時(shí)將試件置于底座正中心，落錘從不同高度下落撞擊試件，采用FASTCAM SA?Z 高速攝影記錄試件被撞擊過程，并根據(jù)錄像判斷試件是否發(fā)生反應(yīng)，獲得試件50%發(fā)火幾率的特性落高H50。

2.2.3 靶板沖擊實(shí)驗(yàn)

撞靶活性毀傷元及組件如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)主要由反應(yīng)材料藥型罩、壓裝塑性炸藥以及殼體等附件組成，其中殼體、端蓋、緩沖層的材料為尼龍，利用車床加工獲得。主裝藥質(zhì)量為15 g，壓裝均勻。毀傷實(shí)驗(yàn)場地設(shè)置如圖2 所示。目標(biāo)靶板為普通碳素鋼，長寬尺寸為500 mm×500 mm，厚度為5 mm。藥型罩距離靶板6 cm，采用火雷管起爆方式，并用高速攝影記錄實(shí)驗(yàn)過程。

圖1 撞靶活性毀傷元及其組件Fig.1 Active damage element and it′s components

圖2 靶板沖擊實(shí)驗(yàn)場地設(shè)置Fig.2 Experiment layout of steel plate impact by active dam?age element

3 結(jié)果與討論

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下材料的力學(xué)性能

三組試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的真實(shí)應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖3 所示，對應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。從圖3曲線關(guān)系可以看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)下，三種材料均為彈塑性材料，先經(jīng)歷一段短暫時(shí)期的彈性變形，到達(dá)屈服點(diǎn)，而后進(jìn)入塑性變形階段并表現(xiàn)出應(yīng)變硬化效應(yīng)，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度的時(shí)候，試件失效。

表1 三種材料的準(zhǔn)靜壓力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of three materials under quasi?static compression

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，Al/PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 試件的屈服強(qiáng)度、失效應(yīng)力和失效應(yīng)變值比純PTFE 大，表現(xiàn)為更加優(yōu)異的力學(xué)性能，這是由于在受壓時(shí)，ZrH2與Al 顆粒對反應(yīng)材料的強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用。在彈性階段，試件發(fā)生變形的部分主要集中于較軟的PTFE 基體，添加劑對基體的增強(qiáng)作用可忽略不計(jì)；當(dāng)試件屈服進(jìn)入塑性階段時(shí)，由于進(jìn)一步受壓，添加微粒和PTFE 基體呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，PTFE 基體的支撐作用顯著降低，此時(shí)主要由ZrH2與Al 顆粒提供支撐與強(qiáng)化作用，直至材料受壓失效。在Al/PTFE 中添加含量為10%的ZrH2時(shí)，試件的屈服強(qiáng)度和失效應(yīng)力分別由21.0 MPa 和92.9 MPa 提 高到22.2 MPa 和93.3 MPa，分析認(rèn)為:ZrH2為不規(guī)則形狀顆粒，更容易與PTFE 基體黏合，在受壓過程中，粒子間更難發(fā)生相對運(yùn)動，因此，能一定程度提高材料的抗壓強(qiáng)度，可見適量ZrH2能起到改善Al/PTFE 反應(yīng)材料力學(xué)性能的作用。

3.2 落錘沖擊下材料的撞擊感度

由于原有落錘試驗(yàn)程序具有統(tǒng)計(jì)性差的特點(diǎn)，因此采用一種改進(jìn)后的“上下試探法”［18-20］對三組試件分別進(jìn)行15 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)并記錄試件的每一次發(fā)火情況，根據(jù)特性落高計(jì)算公式分別計(jì)算得到三組試件的特性落高值H50。由于落錘為自由下落，撞擊試件的時(shí)間非常短，可視為瞬間完成，因此認(rèn)為試件被撞擊后的能量吸收值近似等于落錘的下落勢能，落錘在特性落高處的下落勢能即為試件反應(yīng)所需的最小能量，進(jìn)一步計(jì)算即可得到每組試件的點(diǎn)火激發(fā)能，結(jié)果如表2所示。

表2 三種材料的特性落高與點(diǎn)火激發(fā)能Table 2 The characteristic drop?height and ignition energy of three materials

由表2 可以看出，在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中，PTFE 為惰性材料而無法發(fā)生反應(yīng)，兩種反應(yīng)材料試件的特性落高分別為44.30 cm 與46.27 cm，這表明ZrH2含量為10%的Al/ZrH2/PTFE 試件的撞擊感度低于Al/PTFE 試件。分析認(rèn)為，這是由于引入添加劑ZrH2時(shí)，Al與PTFE的含量相對減少，導(dǎo)致Al、PTFE顆粒的接觸程度下降，發(fā)生初始反應(yīng)的幾率降低，從而導(dǎo)致試件撞擊感度下降。

對兩組反應(yīng)材料試件在相同落高（65 cm）條件下進(jìn)行落錘撞擊實(shí)驗(yàn)，撞擊反應(yīng)過程如圖4 所示，從圖中可以看出，兩種材料在相同落高下的反應(yīng)程度區(qū)別不大，不同的是含ZrH2的Al/ZrH2/PTFE 試件火光周圍存在較明顯的火星噴濺現(xiàn)象，這可能是由于ZrH2活化分解參與反應(yīng)的原因［16］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一定量的ZrH2添加劑在不影響Al/PTFE 反應(yīng)程度的情況下，還可起到調(diào)整反應(yīng)材料撞擊感度的作用。

3.3 三種材料的撞靶毀傷效應(yīng)

圖4 相同落高（65 cm）下落錘撞擊試件的反應(yīng)過程（a）Al/PTFE 試件（b）Al/ZrH2/PTFE 試件Fig.4 Reaction processes of specimens after drop?hammer impact at the same drop height of 65 cm（a）Al/PTFE specimens（b）Al/ZrH2/PTFE specimens

起爆毀傷元裝藥后，藥型罩在炸藥爆轟壓力的推動下，形成EFP 爆炸成型彈丸，彈丸高速撞擊靶板，純PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 兩種藥型罩撞擊5 mm 厚靶板的反應(yīng)過程如圖5 所示，三種藥型罩對靶板的毀傷效果如圖6 所示。從圖5 和圖6 可看出，在初始時(shí)刻0 ms時(shí)，炸藥爆轟產(chǎn)生一團(tuán)較小的火光，在1 ms 時(shí)刻，兩種藥型罩撞擊靶板，且瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火光和濃煙。不同的是，含能藥型罩撞擊靶板后，在其后方出現(xiàn)了明顯的反應(yīng)區(qū)，到2 ms 和3 ms 時(shí)刻時(shí)，反應(yīng)區(qū)火光繼續(xù)擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明含能毀傷元在撞靶過程中發(fā)生了撞擊釋能反應(yīng)，并作用于靶板，在其正面部位留下了黑色燒灼痕跡和積碳。Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩對見證鋼板的后效作用如圖7 所示，在目標(biāo)靶板生成孔徑正后方的見證鋼板上也出現(xiàn)了大面積的燒灼痕跡和黑色積碳，并且還存在一些碎片撞擊后的分散型凹坑。分析認(rèn)為:燒灼痕跡和黑色積碳是由于含能藥型罩撞擊靶板發(fā)生釋能反應(yīng)，生成的氣態(tài)產(chǎn)物穿過目標(biāo)鋼板的孔洞，繼續(xù)膨脹擴(kuò)散作用于見證鋼板形成。彭琳茜［21］在研究Al/PTFE 的制備工藝與含能破片的燃燒效應(yīng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)，Al/PTFE 含能破片撞擊目標(biāo)時(shí)會受到較大的擠壓而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并放出熱量，引燃浸有柴油的油布或者油箱。分散型凹坑可能是由于未完全反應(yīng)的藥型罩材料穿過孔洞撞擊形成，也可能是由于藥型罩撞擊靶板時(shí)，鋼板在發(fā)生變形、破壞和穿孔的過程中，靶板背面發(fā)生部分崩落生成碎片撞擊見證鋼板造成。純PTFE 藥型罩由于在沖擊過程中無法發(fā)生反應(yīng)，僅能依靠自身動能毀傷目標(biāo)靶板，因此未出現(xiàn)明顯的化學(xué)反應(yīng)區(qū)和反應(yīng)產(chǎn)物痕跡。上述撞靶實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，當(dāng)反應(yīng)材料被應(yīng)用于戰(zhàn)斗部時(shí)，在高速沖擊條件下，彈丸依靠自身動能穿透目標(biāo)靶板，同時(shí)，反應(yīng)材料在巨大的擠壓作用下發(fā)生爆燃、類爆轟等劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的沖擊波，高溫場、碎片、有毒氣體以及單質(zhì)碳可對目標(biāo)內(nèi)的人員與電子設(shè)備產(chǎn)生二次殺傷作用［4］。

如圖6 所示，觀察目標(biāo)靶板背面，可以看出與純PTFE 不同的是，兩種含能藥型罩撞靶形成花瓣式外翻的穿孔形式，進(jìn)一步表明含能毀傷元發(fā)生釋能反應(yīng)，生成產(chǎn)物對靶板產(chǎn)生徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)。靶板的孔徑大小數(shù)據(jù)如表3 所示，三種藥型罩均能穿透5 mm 厚鋼板。在擴(kuò)孔能力方面，純PTFE 制成的惰性藥型罩最弱，這是由于在撞擊過程中，純PTFE 藥型罩只能依靠自身動能穿孔，而含能藥型罩的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步對靶板孔洞產(chǎn)生徑向擴(kuò)孔效應(yīng)。Al/PTFE 撞靶孔徑約為PTFE 的2 倍，這表明含能毀傷元的撞擊?反應(yīng)雙重效應(yīng)使其擴(kuò)孔能力大大提升。Al/ZrH2/PTFE 藥型罩撞靶產(chǎn)生的孔徑為Al/PTFE 的1.5 倍，分析認(rèn)為:一方面，適量的ZrH2提高了反應(yīng)材料的強(qiáng)度和密度，另一方面，ZrH2參與Al/PTFE 的化學(xué)反應(yīng)提高了毀傷元整體的能量釋放水平，使毀傷效果更好。Al/ZrH2/PTFE 在撞靶過程可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有:

圖5 兩種藥型罩撞靶反應(yīng)過程（a）純PTFE 藥型罩（b）Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩Fig.5 Reaction processes after impact of shaped materials（a）pure PTFE liner（b）Al/ZrH2/PTFE energetic liner

圖6 三種藥型罩對靶板的毀傷效果（a）純PTFE 藥型罩（b）Al/PTFE 藥型罩（c）Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩Fig.6 Damage effects of three kinds of liners onto targets（a）pure PTFE liner（b）Al/PTFE energetic liner（c）Al/ZrH2/PTFE ener?getic liner

圖7 Al/ZrH2/PTFE 含能藥型罩對見證鋼板的后效作用Fig.7 Aftermath of Al/ZrH2/PTFE energetic liner onto proof plate

表3 三種藥型罩沖擊5 mm 厚鋼板的毀傷效應(yīng)參數(shù)Table 3 Damage effects of 5 mm thick steel plate after im?pact by three kinds of liners

4 結(jié)論

（1）三種材料均為彈塑性材料，都存在應(yīng)變硬化效應(yīng)，Al/ZrH2/PTFE 試件的屈服強(qiáng)度和失效應(yīng)力值最大，因此，引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的ZrH2可一定程度提高Al/PTFE 反應(yīng)材料的抗壓強(qiáng)度。此外，在不影響材料整體能量釋放水平的前提下，ZrH2有助于減小Al 與PTFE 發(fā)生初始反應(yīng)的幾率，降低反應(yīng)材料的撞擊感度。ZrH2的這一物化特性，可為通過氫化物填充改性Al/PTFE 反應(yīng)材料，制備不同應(yīng)用環(huán)境所需特性和功能的反應(yīng)材料奠定研究基礎(chǔ)。

（2）Al/PTFE 與Al/ZrH2/PTFE 含能藥 型罩在撞靶過程中能發(fā)生撞擊釋能反應(yīng)，相比于惰性毀傷元，存在明顯的反應(yīng)區(qū)、對靶板的黑色燒灼痕跡和積碳現(xiàn)象。釋能反應(yīng)產(chǎn)物具有徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)，侵徹靶板造成花瓣式外翻的穿孔形式。Al/PTFE 穿靶孔徑約為純PTFE 的2 倍，表明含能藥型罩的撞擊?反應(yīng)雙重毀傷效應(yīng)可大幅提升其擴(kuò)孔能力，Al/ZrH2/PTFE 穿靶孔徑為Al/PTFE 的1.5 倍，表明在Al/PTFE 中填充ZrH2，通過改善材料力學(xué)性能，提高材料能量密度，能進(jìn)一步增強(qiáng)反應(yīng)材料的毀傷效能。