葉 勝，毛 亮，胡 榕，蔡尚曄，姜春蘭，盧士偉2，

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京100081；2.晉西集團山西江陽化工有限公司軍品研究所，山西 太原030041）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場上，輕型裝甲類目標結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，其防護能力也日益提高，傳統(tǒng)反裝甲類聚能戰(zhàn)斗部往往只能對其造成機械性穿孔破壞，無法對目標內(nèi)部設(shè)備或人員形成有效毀傷，亦達不到對裝甲類目標“一擊必毀，一擊必殺”的戰(zhàn)術(shù)要求［1-4］。區(qū)別于傳統(tǒng)惰性金屬射流，活性藥型罩射流利用自身動能與化學(xué)能侵爆耦合作用，可在擊穿目標作用過程同時引發(fā)爆炸/爆燃反應(yīng)，從而對目標內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成嚴重的毀傷破壞［5-8］。2019 年，鄭元楓等［9］研究了高密度聚四氟乙烯/鎢/銅/鉿（PTFE/W/Cu/Hf）活性罩聚能裝藥對多層間隔鋁靶的侵徹破壞，并與銅射流侵徹多層靶進行實驗對比，結(jié)果表明，在高密度活性射流侵徹與爆燃反應(yīng)聯(lián)合毀傷作用下，活性射流穿透50 mm 的鋼靶后，可使多層間隔鋁靶發(fā)生嚴重的撕裂效應(yīng)；而銅射流在間隔靶上留下的穿孔毀傷面積較小，無法造成較強的結(jié)構(gòu)破壞。2020 年，蘇成海［10］開展了聚四氟乙烯/鋁（PTFE/Al）活性藥型罩聚能裝藥侵爆多層間隔靶的毀傷實驗，實驗結(jié)果表明，活性射流作用間隔靶時可對防護層厚鋁靶造成強烈的靶后爆破毀傷效應(yīng)，對間隔靶結(jié)構(gòu)毀傷嚴重。目前，前人相關(guān)研究結(jié)果表明，活性射流作用間隔靶時可對防護層厚鋁靶造成強烈的靶后爆破毀傷效應(yīng)，對間隔靶結(jié)構(gòu)毀傷嚴重，但研究側(cè)重于活性藥型罩對目標毀傷效應(yīng)的驗證，而對其活性材料自身組分所帶來的對毀傷效應(yīng)影響機理和規(guī)律欠缺深入研究。

采用Al 粉與PTFE 粉混合燒結(jié)制備而成的PTFE/Al 活性藥型罩，Al 粒徑大小的變化會影響PTFE 基活性藥型罩的沖擊反應(yīng)釋能特性［11-12］。為此，本研究采用不同粒徑Al 粉與PTFE 粉燒結(jié)制備了PTFE/Al 活性藥型罩，開展了鋼-鋁雙層間隔靶的靜爆威力實驗，探究了Al 粒徑對PTFE/Al 活性射流毀傷鋼-鋁雙層間隔靶的影響規(guī)律，研究結(jié)果對PTFE/Al 活性材料的工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

2 實驗設(shè)計

2.1 PTFE/Al 活性藥型罩的制備

鋁粉：10（99.5%），30（99.9%），70（99.9%），200（99.9%）μm 和50 nm/70 μm，長沙天久金屬材料廠；PTFE 粉，Dupont7A，34 μm（99.9%），美國杜邦公司。

采用模壓燒結(jié)成型法［13］進行PTFE/Al 活性藥型罩的制備，藥型罩口徑為40 mm，壁厚為0.12 倍口徑，即4.8 mm。具體工藝流程如圖1 所示。首先，以少量無水乙醇為介質(zhì)，將Al 粉和PTFE 粉末在混料機中濕混10 h，使各組分混合均勻。然后把混好的粉體置于干燥箱中，在57.2 ℃下真空干燥24 h。采用單軸冷壓方式將活性粉體模壓成型，成型壓力200 MPa，保壓時間3 min。隨后，將壓坯自然放置24 h，以消除內(nèi)部氣體及殘余應(yīng)力。接下來，將壓坯置于燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度歷時曲線如圖2 所示。制備獲得的不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性藥型罩如圖3 所示。

圖1 PTFE/Al 藥型罩的制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of PTFE/Al reactive material

圖2 燒結(jié)溫度時程曲線Fig.2 Sintering temperature time history curve

圖3 不同粒徑Al 粉制備的PTFE/Al 活性藥型罩Fig.3 PTFE/Al reactive liner with different Al particle size

2.2 實驗方法

采用如圖4 所示的裝置對PTFE/Al 活性藥型罩聚能裝藥進行鋼-鋁雙層間隔靶的實驗。聚能裝藥與炸高筒置于第一層鋼靶正中間上方，裝藥結(jié)構(gòu)采用圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)類型，選用改性B 炸藥，其直徑為40 mm、高度60 mm。鋼靶材料為Q235 鋼，尺寸為300 mm×300 mm×6 mm；第二層鋁靶位于鋼靶下方60 mm 處，鋁靶材料為6061鋁，尺寸為300 mm×300 mm×3 mm。聚能裝藥主裝藥采用改性B炸藥，裝藥高度為60 mm，實驗炸高為60 mm。

圖4 實驗原理及現(xiàn)場布置圖Fig.4 Experimental principle and field layout

3 結(jié)果與分析

3.1 PTFE/Al 活性射流作用間隔靶的過程分析

PTFE/Al 活性射流作用雙層間隔靶的靜爆效果圖和雙層靶板的毀傷效果分別如圖5 和圖6 所示。從圖6 中可以看出，活性射流穿透了前端鋼靶和后效鋁靶，且在鋁靶上產(chǎn)生了顯著的爆裂毀傷效應(yīng)。

圖5 PTFE/Al 活性藥型罩靜爆效果圖Fig.5 High speed photo graphy of static explosion

圖6 間隔靶毀傷效果圖Fig.6 Damage effect picture of interval target

相比文獻［14］中銅射流作用雙層間隔靶后僅形成機械性穿孔，活性射流作用雙層間隔靶與惰性射流不太一樣，分析認為活性射流對雙層間隔靶的毀傷作用包含兩個階段：動能侵徹階段和侵爆耦合階段，如圖7 所示。首先，活性藥型罩聚能裝藥主裝藥被引爆，爆轟波壓垮活性藥型罩形成活性射流，同時爆炸沖擊載荷作用下活性射流潛在化學(xué)釋能反應(yīng)也被激活，但由于存在一定的反應(yīng)延遲時間，認為活性射流在反應(yīng)延遲時間內(nèi)不會發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)［15］?；钚陨淞黝^部到達鋼靶后，開始對鋼靶進行動能侵徹擴孔，一部分射流在侵徹過程會發(fā)生破碎和反應(yīng)，破碎的射流在鋼靶后面形成有一定區(qū)域的碎片，靶后碎片與剩余活性侵徹體利用動能繼續(xù)對后效鋁板進行毀傷。一旦時間到達活性射流反應(yīng)延遲時間，即t=τ，剩余的活性射流與靶后活性材料碎片發(fā)生劇烈爆燃反應(yīng)并且產(chǎn)生一個向前的沖擊波，在間隔靶空間內(nèi)形成高溫和高壓區(qū)，從而對后效鋁靶產(chǎn)生巨大的撕裂效果。從機理上分析，動能侵徹鋁靶時產(chǎn)生初始的裂縫，利用活性射流在雙層靶間爆燃反應(yīng)產(chǎn)物的快速膨脹和化學(xué)能的釋放使得裂縫迅速增大。

圖7 活性射流對雙層間隔靶的作用過程Fig.7 The action process of reactive jet on double-spaced target

3.2 Al 粒徑對前端鋼靶毀傷效應(yīng)的影響

不同Al 粒徑PTFE/Al 活性藥型罩聚能裝藥對前端鋼靶的毀傷效果如圖8 所示。從圖8 可知，不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流均穿透了鋼靶，形成近似圓形截面的孔洞，鋼靶背面孔洞周圍有一定隆起現(xiàn)象，而且背面均出現(xiàn)了明顯的黑色燒蝕痕跡，表明活性材料在鋼靶和鋁靶間發(fā)生了劇烈的爆燃反應(yīng)。

圖8 不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對前端鋼靶的毀傷破壞結(jié)果Fig.8 Damage results of PTFE/Al reactive jet with different Al particle size on front steel target

圖9 為不同毀傷表征參量的示意圖，其中d為等效破裂孔直徑（等效破裂孔直徑是將破壞區(qū)域視為圓形破壞區(qū)域，然后依據(jù)毀傷面積所求得，mm），h為隆起高度（mm），V為毀傷破壞區(qū)域體積（cm3）。其中d通過破裂孔面積S回歸得到，而破裂孔面積采用基于圖像處理技術(shù)的標尺批量識別穿孔輪廓檢測和破裂毀傷面積快速計算的方法［16］進行測量獲取。

圖9 靶板的毀傷破壞特征參量Fig.9 Damage parameter representation of target plate

圖10 為不同Al粒徑的PTFE/Al活性射流對前端鋼靶的毀傷破壞特征參量的統(tǒng)計。從圖10可知，隨著Al粒徑從10 μm 增大到200 μm 時，等效破裂孔直徑d、隆起高度h和毀傷破壞區(qū)域體積V均呈現(xiàn)減小的趨勢。Al粒徑為10 μm 的PTFE/Al 活性射流對鋼靶造成的破孔面積最大，為203.3 mm2，等效破裂孔直徑為0.40 CD（CD 為裝藥直徑），鋼靶隆起高度為0.48 CD，毀傷破壞區(qū)域體積達420 cm3。Al 粒徑為50 nm/70 μm 級配的PTFE/Al 活性射流對鋼靶的穿孔效果顯著提高，等效破裂孔直徑達到了0.59 CD。

圖10 不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對鋼靶的毀傷破壞特征參量統(tǒng)計Fig.10 Damage parameter statistics of PTFE/Al reactive jet with different Al particle size on steel target

分析認為，對于同一形狀和壁厚的藥型罩，不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對薄鋼靶的等效破裂孔直徑不同，主要與活性射流的直徑大小有關(guān)。如圖11 所示，射流內(nèi)部由于部分材料發(fā)生反應(yīng)后，化學(xué)能的釋放和爆轟產(chǎn)物的膨脹使得活性射流發(fā)散，并且活性射流直徑大小與活性材料反應(yīng)程度有關(guān)，活性材料反應(yīng)程度越大，使得射流發(fā)散程度越大，射流直徑越大。文獻［17］給出了在炸藥爆炸加載的強沖擊下Al 粒徑對PTFE/Al 活性材料的沖擊反應(yīng)的影響，指出隨著Al 粒徑的增大，PTFE/Al 活性材料的反應(yīng)自持能力逐漸降低，反應(yīng)程度降低，因此當Al 粒徑從10 μm 增加到200 μm 時，PTFE/Al 活性材料的反應(yīng)程度降低，活性射流的發(fā)散程度降低，射流直徑變小，從而導(dǎo)致等效破裂孔直徑減小。需要說明的是，活性射流在射流成形和運動過程中發(fā)生的反應(yīng)并不劇烈，反應(yīng)會使得射流發(fā)散但不會破壞射流的整體形貌。

圖11 活性射流部分反應(yīng)對射流直徑的影響Fig.11 Damage parameter statistics of PTFE/Al reactive jet with different Al particle size on steel target

3.3 Al 粒徑對后效鋁靶毀傷效應(yīng)的影響

不同Al 粒徑PTFE/Al 活性藥型罩聚能裝藥對后效鋁靶的毀傷破壞效果如圖12 所示。從圖12 可知，微米級Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流在鋁靶上均形成大破裂開孔、翻邊，且對鋁板均造成了顯著的形變。加入了納米Al 級配的PTFE/Al 活性射流在鋁靶上形成隆起現(xiàn)象，隆起前端未出現(xiàn)開口。不同Al 粒徑的活性射流在鋁靶的正面均出現(xiàn)了明顯的黑色痕跡，表明活性材料在鋼靶和鋁靶間發(fā)生了劇烈的爆燃反應(yīng)。

圖12 不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對后效鋁靶的毀傷破壞結(jié)果Fig.12 Damage parameter statistics of PTFE/Al reactive jet with different Al particle size on aluminum target

圖13 為不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對鋁靶的毀傷破壞特征參量的統(tǒng)計。從圖13 中可知，隨著Al 粒 徑 從10 μm 增 加 到200 μm 時，鋁 靶 的 破 裂 孔面積減小，Al 粒徑10 μm 的PTFE/Al 活性射流對鋁靶的破孔面積最大，為18364 mm2，等效破裂孔直徑達到3.82 CD。Al 粒徑為微米級別的PTFE/Al 活性射流隨著粒徑的增大，活性射流對鋁靶的破孔隆起高度和形成的破壞區(qū)域體積均呈現(xiàn)減小的趨勢，并且在10 μm 為最大，隆起高度分別為1.72 CD，破壞區(qū)域體積達到2280 cm3。

圖13 不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對鋁靶的毀傷參數(shù)統(tǒng)計Fig.13 Damage parameter statistics of PTFE/Al reactive jet with different Al particle size on alμminμm target

分析認為，不同Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對后效鋁靶的毀傷效果不同，主要與作用在鋼靶和鋁靶間的反應(yīng)能量值大小有關(guān)。反應(yīng)能量值受活性材料穿過鋼靶后作用于鋁靶的活性材料總質(zhì)量ms和反應(yīng)程度ε兩個因素影響?；钚圆牧峡傎|(zhì)量ms與材料的反應(yīng)延遲時間τ有關(guān)，在反應(yīng)延遲時間τ之內(nèi)，活性材料不發(fā)生劇烈反應(yīng)。從PTFE/Al 活性射流作用間隔靶的作用過程可知，鋁靶的花瓣型破壞首先是動能侵徹鋁靶產(chǎn)生初始的裂縫，接著活性射流到達延遲時間發(fā)生劇烈爆燃反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物的快速膨脹和化學(xué)能的釋放從而使得裂縫快速增大。從以上鋁靶的花瓣型破壞機理可推斷出，Al 粒徑從10 μm 增加到200 μm，PTFE/Al 活性射流反應(yīng)延遲時間τ大于穿透鋁靶的時間。如圖14 所示，由于活性射流呈現(xiàn)頭部細尾部粗的形貌，此時反應(yīng)延遲時間越大，反應(yīng)前射流在鋼-鋁間隔靶間的活性射流質(zhì)量越大。隨著鋁粉顆粒尺寸的增大，對應(yīng)的反應(yīng)延遲時間增長，可知Al 粒徑從10 μm 增加到200 μm時，活性材料反應(yīng)延遲時間越長，活性材料總質(zhì)量ms增大。此外，鋁靶的后效毀傷效果還與活性材料的反應(yīng)程度ε有關(guān)。隨著Al 粒徑的增大，PTFE/Al 活性材料的反應(yīng)自持能力逐漸降低，反應(yīng)程度降低。當Al 粒 徑 從10 μm 增 加 到200 μm 時，活 性 材 料 反應(yīng)程度降低。綜合以上兩方面分析，Al 粒徑從10 μm 增加到200 μm 時，活性材料總質(zhì)量ms增大，但材料反應(yīng)程度減小，從而使反應(yīng)時釋放的能量降低。此外，加入納米Al 級配的PTFE/Al 活性射流在穿透鋼靶后很快就發(fā)生了反應(yīng)，分析其原因認為是加入納米Al 級配的PTFE/Al 活性射流反應(yīng)延遲時間較小，位于鋼靶前的活性材料發(fā)生爆燃反應(yīng)使得對鋼靶的破孔面積，隆起高度及破壞變形區(qū)域面積進一步增大，而位于鋼靶后的活性材料發(fā)生爆燃反應(yīng)造成了對鋁靶的隆起破壞，能量有限，未能進行貫穿。

圖14 延遲時間對靶板間射流質(zhì)量的影響Fig.14 Effect of delay time on jet quality between targets

4 后效鋁靶爆裂毀傷效應(yīng)分析模型

4.1 爆裂毀傷效應(yīng)分析模型

活性射流穿過鋼靶后，當?shù)竭_反應(yīng)延遲時間，剩余活性射流以及靶后活性碎片發(fā)生爆燃反應(yīng)，釋放大量化學(xué)能和氣體產(chǎn)物，位于鋁靶前面的活性材料發(fā)生爆燃反應(yīng)，對靶板再次破壞，即靶后爆破效應(yīng)，位于鋁靶后面的活性材料對鋁靶的作用可以忽略，因為反應(yīng)中的活性材料仍具有很高的宏觀速度，從而直接導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物具有很高的宏觀速度，爆轟產(chǎn)物主要作用位于自身前方的鋁靶，對自身后方鋁靶的影響較小。實際上，活性材料的化學(xué)反應(yīng)會釋放大量化學(xué)能和氣體產(chǎn)物，從而以超壓形式作用鋁板，如圖15 所示。圖15 中將作用在鋁板上的超壓簡化為三角形載荷，載荷從中部到邊緣呈線性遞減規(guī)律。參數(shù)2a是動能作用造成的穿孔直徑，參數(shù)S是動能和化學(xué)能耦合作用下造成的最終破裂孔面積。

圖15 作用在鋁靶上的等效爆燃壓力Fig.15 Equivalent deflagration pressure acting on alμminμm target

考慮鋁板彈性響應(yīng)，拉伸應(yīng)力σ可寫為：

式中，δ為鋁靶隆起高度，mm；E是鋁靶的楊氏模量，MPa。

針對裂紋的產(chǎn)生與傳播，鋁板的應(yīng)力強度因子參數(shù)KI為：

式中，G是常量。

當鋁板中的拉伸應(yīng)力達到臨界值時，裂紋將不再穩(wěn)定，造成鋁板發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞并形成明顯的破裂孔。與此同時，應(yīng)力強度因子KI線性上升為斷裂韌性KIC。在此基礎(chǔ)上，將方程（1）代入方程（2），使用KIC替代KI，可得到鋁靶隆起高度臨界值δc。

式中，A 是常量；S是最終破裂孔面積，mm2；KIC是斷裂韌性，MPa·m1/2。

與此同時，鋁板隆起高度δ也可表示為：

式中，p為活性材料爆燃反應(yīng)造成的超壓值，MPa；Δt是超壓有效作用時間［18］，ms；ρ是鋁板密度，g·cm-3；l是鋁板厚度，mm；B是常量。

聯(lián)立以上方程（3）和（4），則動能和化學(xué)能聯(lián)合作用下形成破裂孔的半徑r可表示為：

式中，D是常量。

因此，最終的破裂孔面積為：

常數(shù)F仍是一個未知數(shù)，為此需要結(jié)合實驗擬合出常數(shù)F的值。對于鋁靶而言，活性材料的有效質(zhì)量mre是指位于該層鋁靶前方的發(fā)生反應(yīng)活性材料質(zhì)量，即mre=ms*ε。而位于該層鋁靶后方的活性材料對該層鋁板的作用可以忽略。

4.2 侵爆耦合毀傷計算結(jié)果

基于對鋁靶的毀傷實驗結(jié)果S 與預(yù)先仿真結(jié)果，實驗得到的破裂孔面積S和仿真得到活性材料的有效質(zhì)量mre的具體數(shù)值列于表1。

表1 不同鋁粒徑的PTFE/Al 活性材料參數(shù)Table1 Parameters of PTFE/Al reactive materials with different alμminμm particle sizes

基于實驗數(shù)據(jù)，超壓有效作用時間Δt取40 ms。鋁的楊氏模量E、斷裂韌性KIC和密度分別取68000 MPa、44 MPa·m1/2和2.74 g·cm-3，鋁靶厚度l為3 mm。通過二次多項式擬合得到常量F的擬合值為0.1587 mm-2·s-2，相關(guān)系數(shù)R-square 為0.9529。則最終鋁靶的破裂孔面積為：

5 結(jié)論

采用模壓燒結(jié)工藝制備了不同Al 粒徑的PTFE/Al活性藥型罩，開展了活性藥型罩對鋼-鋁雙層間隔靶的靜爆威力實驗研究。主要結(jié)論如下：

（1）Al 粒徑從10 μm 增大到200 μm 時，PTFE/Al活性射流對前端鋼靶的毀傷效果呈現(xiàn)變?nèi)醯内厔荨l粒徑為10 μm 的PTFE/Al 活性射流對鋼靶的等效破裂孔直徑、隆起高度、毀傷破壞區(qū)域體積分別是Al 粒徑為200 μm 時的1.29 倍、1.66 倍和2.40 倍。

（2）Al 粒徑從10 μm 增加到200 μm 時，PTFE/Al活性射流對后效鋁靶的花瓣型破壞明顯變?nèi)?。Al 粒徑10 μm 的PTFE/Al 活性射流對鋁靶的等效破裂孔直徑、破壞隆起高度、破壞區(qū)域體積分別是Al 粒徑為200 μm 時的1.55 倍、1.41 倍和1.80 倍。

（3）Al 粒徑為50 nm/70 μm 級配的PTFE/Al 活性射流對鋼靶的穿孔效果較好，等效破裂孔直徑達到了0.59 CD，但對鋁靶僅造成了隆起現(xiàn)象，分析其原因認為是加入納米Al 級配的PTFE/Al 活性射流反應(yīng)延遲時間較短，在穿透鋼靶后很快就發(fā)生了反應(yīng)。