李梅, 王璐瑤, 蔣建偉
(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)
反應(yīng)性合金在常溫存儲(chǔ)和弱刺激(如低速撞擊)下呈現(xiàn)鈍感金屬的機(jī)械特性,在強(qiáng)刺激(如爆轟驅(qū)動(dòng)、高速撞擊等)作用下被激活并在短時(shí)間內(nèi)釋放大量化學(xué)能[1-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的氟聚物基金屬復(fù)合類反應(yīng)材料,反應(yīng)性合金具有更高的密度、強(qiáng)度和理論含能量[4],進(jìn)而在高效的動(dòng)能和化學(xué)能耦合毀傷領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
目前典型反應(yīng)性合金分為3類:非晶合金類(RMAA)[5-6]、傳統(tǒng)合金類(RMTA)[7-8]和高熵合金類(RMHEA)[9-10]。研究結(jié)果顯示:RMTA內(nèi)部原子呈無序排列,宏觀表現(xiàn)為低塑性,在拉壓載荷下極易發(fā)生剪切破碎[5-6],是一種高強(qiáng)度脆性材料,在沖擊載荷下斷裂模式有沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種[7];RMHEA是目前公認(rèn)的3類反應(yīng)性合金中強(qiáng)度最高、韌性最好的材料[9]。實(shí)驗(yàn)證明,上述3種反應(yīng)性合金在強(qiáng)沖擊下均能夠釋放化學(xué)能,表現(xiàn)為材料碎裂后的持續(xù)燃燒現(xiàn)象[5-9]。研究人員前期對(duì)氟聚物基金屬反應(yīng)材料采用準(zhǔn)密閉容器測(cè)壓裝置對(duì)其沖擊釋放的化學(xué)能總量進(jìn)行測(cè)試,證明沖擊速度越高時(shí)樣品碎裂程度越高,對(duì)應(yīng)的化學(xué)能釋放量越高[10-11]。在對(duì)惰性金屬靶后碎片的動(dòng)能毀傷能力研究過程中,發(fā)現(xiàn)碎裂程度過高的碎片云,其動(dòng)能毀傷能力顯著低于相同撞擊速度下碎裂程度較低的工況[12]。由此可見,反應(yīng)性合金沖擊釋放的化學(xué)能和動(dòng)能之間是相互促進(jìn)、彼此制約的關(guān)系?,F(xiàn)階段研究人員常采用通過準(zhǔn)密閉容器測(cè)得化學(xué)能后與實(shí)測(cè)樣品動(dòng)能進(jìn)行疊加的方法,來評(píng)估反應(yīng)性合金樣品靶后燃燒碎片云(BDC)耦合毀傷能力[13-15],但這種評(píng)估方法并不嚴(yán)謹(jǐn),且模糊了動(dòng)能和化學(xué)能分別對(duì)耦合毀傷能力的貢獻(xiàn)程度和毀傷機(jī)制,導(dǎo)致現(xiàn)階段研究人員無法根據(jù)待毀傷目標(biāo)特性,合理選擇出毀傷效能最優(yōu)的反應(yīng)性合金樣品材料。
考慮到前人研究結(jié)果中沖擊速度越高時(shí)化學(xué)能釋放效率越高,本文選用彈道槍驅(qū)動(dòng)RMAA、RMTA和RMHEA 3種反應(yīng)性合金樣品,以最大可實(shí)現(xiàn)速度1 500 m/s,分別對(duì)準(zhǔn)密閉容器測(cè)壓裝置和靶后間隔靶開展毀傷效能評(píng)估實(shí)驗(yàn)?;趯?shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比樣品間沖擊釋能行為和對(duì)間隔靶毀傷能力的差異,及動(dòng)能和化學(xué)能在毀傷過程中的實(shí)際作用機(jī)理。
為對(duì)比研究現(xiàn)階段3類典型反應(yīng)性合金樣品的沖擊釋能行為和耦合毀傷能力,明確其動(dòng)能和化學(xué)能分別對(duì)耦合毀傷能力的貢獻(xiàn)機(jī)制,選用準(zhǔn)密閉容器對(duì)樣品的沖擊釋能量進(jìn)行對(duì)比研究,選用間隔靶對(duì)比評(píng)估樣品沖擊激活后的耦合毀傷能力。
實(shí)驗(yàn)中選用等體積的3類反應(yīng)性合金樣品作為研究對(duì)象。表1所示為3類樣品的理化性能參數(shù)。
表1 實(shí)驗(yàn)樣品理化性能參數(shù)
圖1所示為反應(yīng)性合金樣品沖擊釋能量測(cè)試系統(tǒng)及工作原理的示意圖。選用27 L準(zhǔn)密閉容器作為測(cè)試系統(tǒng)主體。容器前面板為2 mm厚LY12鋁板,后面板為硬質(zhì)砧板,容器內(nèi)壁安裝準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器。
圖1 反應(yīng)性合金樣品沖擊釋能量測(cè)試系統(tǒng)及工作原理Fig.1 Schematic diagram of impact energy release test system and its working principle for reactive metal samples
采用彈道槍驅(qū)動(dòng)樣品,樣品在飛行過程中與彈托發(fā)生分離后,沿既定彈道跡線穩(wěn)定飛行。采用多層間隔靶網(wǎng)和山東宗德機(jī)電設(shè)備有限公司產(chǎn)測(cè)速儀組成的速度測(cè)試系統(tǒng),對(duì)樣品的飛行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),保證3類樣品撞擊容器的速度均控制在1 500 m/s±30 m/s范圍。
樣品撞擊前面板后進(jìn)入容器內(nèi)部,在高速撞擊后面板過程中被激活,并釋放化學(xué)能。定義樣品在前面板上形成的穿孔為泄壓孔。少量化學(xué)能從泄壓孔流失到外界空氣中,剩余化學(xué)能產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為容器內(nèi)能。通過容器內(nèi)壁傳感器記錄得到的壓力變化情況,表征樣品沖擊釋能對(duì)容器做功的化學(xué)能總量。
圖2所示為反應(yīng)性合金樣品的耦合毀傷能力測(cè)試系統(tǒng)示意圖。與圖1的驅(qū)動(dòng)和測(cè)速裝置保持一致,采用間隔靶(0~3號(hào)靶)進(jìn)行樣品的沖擊激活和耦合毀傷能力測(cè)試。間隔靶的選取參考國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 767—1989小口徑炮彈對(duì)飛機(jī)、直升機(jī)毀傷試驗(yàn)方法中帶防護(hù)直升機(jī)目標(biāo)等效靶標(biāo)的材料和類型。其中:0號(hào)靶為6 mm厚Q235鋼板,1~3號(hào)靶均為3 mm厚LY12鋁板。前期對(duì)反應(yīng)性合金樣品的沖擊釋能行為研究發(fā)現(xiàn):樣品撞擊0號(hào)靶被激活后,在靶板后500~700 mm位置處的釋能區(qū)體積達(dá)到最大值[16]。為對(duì)比該狀態(tài)下3種反應(yīng)性金屬的毀傷能力差異,靶板之間的間距L1和L2分別為500 mm和80 mm.
圖2 反應(yīng)性合金樣品耦合毀傷能力測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of coupling damage ability test system for reactive metal samples
選用日本PHOTRON公司產(chǎn)FASTCAM-Z型高速攝影儀,對(duì)樣品撞擊0號(hào)靶后的沖擊釋能行為和BDC對(duì)1~3號(hào)靶的耦合毀傷行為進(jìn)行觀測(cè)記錄。高速攝影儀的拍攝頻率為105幀/s.
圖3所示為反應(yīng)性合金樣品在準(zhǔn)密閉容器前面板上產(chǎn)生的泄壓孔照片,其中圓形穿孔由樣品造成,不規(guī)則穿孔由彈道槍發(fā)射過程中用到的尼龍彈托造成。由圖3可見,兩類穿孔周圍均出現(xiàn)了黑色熏黑痕跡,證明樣品在容器內(nèi)被激活后產(chǎn)生的高溫高壓氣體和反應(yīng)產(chǎn)物確實(shí)從穿孔向外界流失。采用圖像二值處理方法對(duì)圖3進(jìn)行識(shí)別處理,獲得RMAA、RMTA和RMHEA樣品對(duì)應(yīng)的穿孔投影面積,分別為6.78 cm2、12.66 cm2和9.22 cm2.
圖3 前面板上的穿孔照片F(xiàn)ig.3 Penetrating holes on the front panel of a quasi-closed container
圖4所示為反應(yīng)性合金樣品在準(zhǔn)密閉容器內(nèi)釋放化學(xué)能導(dǎo)致的壓力- 時(shí)間變化曲線。由圖4可見:樣品高速撞擊硬質(zhì)砧板的瞬間被激活,容器內(nèi)壓力從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓迅速增加到峰值壓力,歷時(shí)t1,此階段中樣品的釋能速率遠(yuǎn)高于從泄壓孔流失的能量速率;隨后壓力從峰值壓力下降至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,歷時(shí)t2,此階段以泄壓為主。
圖4 準(zhǔn)密閉容器內(nèi)的壓力- 時(shí)間曲線Fig.4 Pressures in quasi-closed container
表2所示為反應(yīng)性合金樣品撞擊間隔靶的沖擊釋能行為和耦合毀傷行為的高速攝影照片。定義樣品撞擊0號(hào)靶瞬間時(shí)刻t=0 ms.3類樣品在撞擊0號(hào)靶時(shí)均被激活釋放化學(xué)能,表現(xiàn)為撞擊碎裂后產(chǎn)生的碎片云呈現(xiàn)持續(xù)燃燒狀態(tài)。3類樣品產(chǎn)生的BDC對(duì)1~3號(hào)靶板進(jìn)行了不同程度的擴(kuò)孔。
表2 反應(yīng)性合金樣品沖擊釋能和毀傷過程的高速攝影照片
由表2可見:RMAA和RMHEA在0號(hào)靶前存在大量持續(xù)燃燒的反向?yàn)R射碎片,RMTA在0號(hào)靶前的燃燒火光僅持續(xù)了0.2 ms,表明RMAA和RMHEA樣品自身攜帶的動(dòng)能和化學(xué)能在0號(hào)靶前存在大量消耗的現(xiàn)象;3類樣品在0號(hào)靶后的BDC輪廓均呈現(xiàn)逐漸膨脹的橢球狀形貌,表明化學(xué)能伴隨著碎片云的運(yùn)動(dòng),逐漸釋放在碎片云經(jīng)過的不同位置處。
表3、表4、表5分別為3類反應(yīng)性合金樣品對(duì)1~3號(hào)間隔靶的毀傷形貌照片。
表3 RMAA樣品對(duì)間隔靶的毀傷形貌
表4 RMTA樣品對(duì)間隔靶的毀傷形貌
表5 RMHEA樣品對(duì)間隔靶的毀傷形貌
鑒于反應(yīng)性合金樣品在激活過程中可能發(fā)生的合金化反應(yīng)和氧化還原反應(yīng),在理論上無氣體產(chǎn)物生成,故容器內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的增量完全取決于樣品沖擊釋放的化學(xué)能總量。在將壓力值等效為沖擊釋能量前,做出如下假設(shè):
1)測(cè)試過程中容器自身應(yīng)變導(dǎo)致的體積變形忽略不計(jì);
2)樣品釋放的能量對(duì)容器內(nèi)空氣進(jìn)行均勻加熱。
樣品的釋能速率[12]可表示為
(1)
式中:U為反應(yīng)性合金樣品的實(shí)際釋能量;V為容器體積;γ為理想氣體絕熱指數(shù),取值1.4;pc為容器內(nèi)壓力。
用pf表征泄壓孔邊緣的外界壓力,當(dāng)pc和pf滿足等熵流判別公式時(shí),泄壓孔噴出的氣流速度與pc無關(guān),否則從泄壓孔噴出氣體的流速與pc正相關(guān):
(2)
式中:A為樣品在準(zhǔn)密閉容器前面板上造成的穿孔面積。
圖5 反應(yīng)性合金樣品化學(xué)能釋放量和容器內(nèi)能 增量曲線Fig.5 Curves of chemical energy release of reactive metal sample and energy increment in container
表6 典型反應(yīng)性合金樣品的沖擊釋能參數(shù)
由表6可見:相同加載條件下,反應(yīng)性合金樣品的實(shí)際釋放化學(xué)能總量排序?yàn)镽MHEA>RMAA>RMTA,理論釋放總能量排序?yàn)镽MHEA>RMAA>RMTA,化學(xué)能釋放效率排序?yàn)镽MAA>RMTA>RMHEA;樣品釋能效率的排序與其抗壓能力F的排序吻合,證明了反應(yīng)性合金在沖擊加載下的碎裂程度越高,釋能效率越高;3類樣品沖擊釋能兩階段對(duì)應(yīng)時(shí)間t1和t2的取值量級(jí)相近,證明其反應(yīng)速率相近。
從圖4的高速攝影照片中可知,反應(yīng)性合金樣品在高速撞擊0號(hào)靶時(shí),在靶后形成的碎片云呈現(xiàn)持續(xù)燃燒狀態(tài)。前期研究[16-18]指出,碎片云的燃燒是由于其激活后釋放化學(xué)能導(dǎo)致云區(qū)周圍的熱量驟增,碎片顆粒中的鋯、鈦金屬元素在高溫作用下呈現(xiàn)固態(tài)燃燒現(xiàn)象。此外由于高速攝影中碎片云具有一定的靶后剩余速度,證明云區(qū)中的碎片顆粒具備動(dòng)能毀傷能力。為獲得BDC所攜帶的動(dòng)能和化學(xué)能,分別對(duì)間隔靶毀傷效果的貢獻(xiàn)程度,對(duì)動(dòng)能和化學(xué)能進(jìn)行解耦處理。
3.2.1 動(dòng)能毀傷能力
為評(píng)估BDC的動(dòng)能毀傷能力,對(duì)其從0號(hào)靶后萌生、運(yùn)動(dòng)至1號(hào)靶過程中的輪廓進(jìn)行識(shí)別處理。由于RMAA在沖擊時(shí)碎裂程度最高、化學(xué)能釋放效率最大,且配方中的Zr、Ti為強(qiáng)閃光燃燒劑,多次重復(fù)試驗(yàn)中高速攝影的視場均處于過曝光狀態(tài)。因此僅對(duì)RMTA和RMHEA兩類樣品的BDC輪廓進(jìn)行識(shí)別處理,結(jié)果如圖6所示。圖6中,x為BDC運(yùn)動(dòng)距離,y為BDC縱向分布,z垂直于Oxy平面。
圖6 特定時(shí)刻下BDC的邊緣輪廓圖Fig.6 BDC edge contour map at a typical moment
圖6(a)中:RMTA對(duì)應(yīng)的BDC從撞擊0號(hào)靶(t=0 ms)到撞擊1號(hào)靶(t=0.5 ms)過程中,一直處于自撞擊點(diǎn)膨脹生長的狀態(tài)。圖6(b)中:RMHEA對(duì)應(yīng)的BDC在t=0.5 ms之前處于自撞擊點(diǎn)膨脹生長狀態(tài)(黑色實(shí)線),在t=0.6~1.0 ms區(qū)間內(nèi),BDC遠(yuǎn)離與0號(hào)靶的撞擊點(diǎn),且長短軸比值和運(yùn)動(dòng)速度保持恒定(紅色實(shí)線)。從圖6中可知:RMTA和RMHEA對(duì)應(yīng)BDC撞擊1號(hào)靶前的頭部速度分別為1 390 m/s和300 m/s. 如此顯著的速度差是由于RMHEA具有更高的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓能力,樣品在沖擊0號(hào)靶過程中自身碎裂、消耗了更多能量。另一方面樣品未完全碎裂、產(chǎn)生的大顆粒碎片在靶后運(yùn)動(dòng)過程中受到了更高的空氣阻力?;赟wift理論[19]和前人對(duì)球體撞靶后碎片云的X光照片[20]可知,BDC中碎片顆粒并不是均勻地分布在橢球輪廓內(nèi),而是近似均勻地分布在橢球殼體上。為便于對(duì)比研究,忽略0號(hào)靶前產(chǎn)生的碎片,假設(shè)樣品碎片全部填充在BDC中。對(duì)Oxz平面切片上顆粒沿y軸的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),切片間隔為0.1 cm,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。
圖7 BDC在Oxz切面上碎片質(zhì)量沿y軸分布規(guī)律Fig.7 Distribution of debris mass along y axis of BDC on Oxz section
圖7中直徑為2yi的環(huán)向上累積碎片質(zhì)量為2mi.基于THOR侵徹理論[21],當(dāng)碎片速度滿足(3)式、(4)式時(shí),該部分顆??梢载灤?號(hào)靶。
v≥v50=k(hA)α(2mi)β,
(3)
(4)
式中:v為碎片速度;v50為環(huán)向上碎片的臨界穿透速度;h為靶板厚度(cm);B為碎片環(huán)與1號(hào)靶的接觸面積(cm2);k、α和β為靶板材料參數(shù),當(dāng)靶材為鋁時(shí)k、α和β分別取值為2 852、0.903、-0.941.
圖8所示為BDC中沿y軸方向每隔0.1 cm取Oxz平面切片中顆粒穿透1號(hào)靶所需的極限穿透速度。由圖8可見:當(dāng)v50=300 m/s時(shí),RMHEA的動(dòng)能毀傷區(qū)域直徑y(tǒng)RMHEA=36 mm;當(dāng)v50=1 390 m/s時(shí),RMTA的動(dòng)能毀傷區(qū)域直徑y(tǒng)RMTA=136 mm.
圖8 BDC在Oxz切面上碎片的極限穿透 速度沿y軸分布規(guī)律Fig.8 Curves of limit penetration velocity of BDC debris along y direction for pentrating 1# target
3.2.2 化學(xué)能毀傷能力
對(duì)表3~表5中間隔靶的實(shí)際毀傷面積進(jìn)行圖像二值化處理,結(jié)果如圖9~圖11所示。圖9~圖11中:φi為大穿孔外接圓直徑,φo為不連通穿孔的最大外接圓直徑。表7所示為BDC對(duì)間隔靶的毀傷參數(shù)值,其中:BDC的動(dòng)能對(duì)1號(hào)靶的理論穿孔面積記為SE;BDC的耦合能量對(duì)1~3號(hào)靶的實(shí)際穿孔面積記為S1、S2和S3;φ為BDC攜帶的化學(xué)能對(duì)1號(hào)靶毀傷能力的貢獻(xiàn)率,φ=(S1-SE)/S1.
圖9 RMAA樣品對(duì)間隔靶毀傷面積的二值化圖像 (1~3號(hào)靶,黑色區(qū)域?yàn)榘邪迳系呢灤┛?Fig.9 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMAA sample (black area is perforating hole on target plate)
圖10 RMTA樣品對(duì)間隔靶毀傷面積的二值化圖像 (1~3號(hào)靶,黑色區(qū)域?yàn)榘邪迳系呢灤┛?Fig.10 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMTA sample (black area is perforating hole on target plate)
圖11 RMHRA樣品對(duì)間隔靶毀傷面積的二值化圖像 (1~3號(hào)靶,黑色區(qū)域?yàn)榘邪迳系呢灤┛?Fig.11 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMHEA sample (black area is perforating hole on target plate)
從表7中可知:
表7 典型反應(yīng)性合金樣品BDC的毀傷參數(shù)
1) 樣品對(duì)間隔靶的實(shí)際毀傷能力排序?yàn)镽MTA>RMAA>RMHEA,與樣品理論上所釋放出的總能量Es排序不同。這是因?yàn)锳mes準(zhǔn)密閉容器測(cè)得化學(xué)能釋放量是樣品被激活后所能釋放出的所有化學(xué)能,但高速攝影照片顯示樣品的BDC剩余速度不可忽視,樣品釋放的化學(xué)能伴隨著BDC的運(yùn)動(dòng)逐步釋放在運(yùn)動(dòng)軌跡所經(jīng)過的不同空間位置處。對(duì)間隔靶的毀傷能力主要取決于BDC撞擊間隔靶瞬間,所剩余動(dòng)能和化學(xué)能的毀傷能力,因此需要結(jié)合目標(biāo)特征和其空間位置進(jìn)行毀傷評(píng)估分析。
2) 反應(yīng)性合金樣品的綜合毀傷面積遠(yuǎn)大于理論計(jì)算的動(dòng)能毀傷面積,表明化學(xué)能確實(shí)具備動(dòng)能增強(qiáng)毀傷能力?;瘜W(xué)能釋放效率更高但化學(xué)能釋放量偏低的RMTA樣品,其化學(xué)能對(duì)毀傷能力的貢獻(xiàn)率高于RMHEA樣品。因?yàn)镽MTA靶后破碎程度較高,相比RMHEA樣品的BDC中容易被激活的小顆粒占比更高。
3) RMAA和RMHEA產(chǎn)生的BDC在1號(hào)靶上產(chǎn)生的中心除圓形穿孔外,還有多個(gè)分布在環(huán)形上的不連通穿孔。不具備動(dòng)能穿孔能力的樣品顆粒在靶板上產(chǎn)生的不連通穿孔,證明了化學(xué)能增強(qiáng)動(dòng)能毀傷效果確實(shí)存在。另一方面,穿孔之間彼此不連通,表明BDC邊緣區(qū)域顆粒的空間分布密度遠(yuǎn)低于橢球中心區(qū)(見圖7)。RMTA在1號(hào)靶上中心穿孔為長條形,可以認(rèn)為1號(hào)靶穿孔的短邊上本應(yīng)分布不連通穿孔,但由于顆粒的動(dòng)能和化學(xué)能過高,使穿孔得以連通,形成撕裂狀毀傷模式。
4) RMAA和RMTA樣品對(duì)1~3號(hào)靶的毀傷面積逐次減小,表明樣品的能量在被逐漸消耗。但RMHEA在2號(hào)靶的穿孔面積高于1號(hào)靶,進(jìn)一步證明了其在相同撞靶條件下的碎裂程度和激活程度最低,在穿過1號(hào)和2號(hào)靶后BDC中的大顆粒碎片被二次激活。
本文為對(duì)比研究典型反應(yīng)性合金的耦合毀傷能力,采用彈道槍驅(qū)動(dòng)的方式,開展了RMAA、RMTA和RMHEA反應(yīng)性合金樣品對(duì)準(zhǔn)密閉容器和間隔靶毀傷實(shí)驗(yàn)。得出主要結(jié)論如下:
1)反應(yīng)性合金樣品的耦合毀傷能力與它所能釋放的動(dòng)能和化學(xué)能的總量無關(guān)。樣品的化學(xué)能隨著激活后燃燒態(tài)碎片云的運(yùn)動(dòng),在不同空間位置處被消耗。樣品的沖擊釋放化學(xué)能效率是影響化學(xué)能對(duì)毀傷能力貢獻(xiàn)度的重要指標(biāo)。
2)反應(yīng)性合金樣品的沖擊釋能行為與其準(zhǔn)靜壓態(tài)抗壓能力正相關(guān)??箟簭?qiáng)度越高的反應(yīng)性合金在沖擊下碎裂程度越低,化學(xué)能釋放量和釋放效率也相應(yīng)是最低的。
3)相同沖擊速度下,3類反應(yīng)性合金樣品的沖擊釋能時(shí)間均在0.1 ms以內(nèi);化學(xué)能釋放效率排序?yàn)镽MAA>RMTA>RMHEA,化學(xué)能實(shí)際釋放量排序?yàn)镽MHEA>RMAA>RMTA,對(duì)間隔靶毀傷能力排序?yàn)镽MTA>RMAA>RMHEA.