任鑫鑫，李裕春，柳錦春

（1.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211100；2.陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

活性材料又稱為反應材料或多功能含能結構材料，該材料通常由兩種或多種非爆炸固體組成，鋁/聚四氟乙烯（Al/PTFE）是其中較為典型的一種。通過簡便的模壓、燒結等工藝后，活性材料可制備成具有特定形狀、力學強度、質量密度的結構件，因此常被制成反應破片、藥型罩等毀傷元對目標進行打擊［1］。與常規(guī)惰性彈丸高速撞擊多層板的單一動能機械侵徹損傷模式不同［2-5］，反應材料彈丸在高速撞擊目標時會釋放大量化學能，產生動能和化學能耦合毀傷效果，對板后目標的損傷具有增強效果［6-7］。近年來，國內學者在提高反應材料的釋能特性、毀傷后效等領域開展了廣泛研究。

相比于傳統(tǒng)反應材料，Al/PTFE 反應材料雖具有沖擊反應的物化性能，但密度和強度等力學性能不足［8］。為了滿足Al/PTFE 反應材料作為結構毀傷元的力學要求，且保證材料的能量密度，國內外學者基于反應材料的可調控性進行了力學性能、材料密度、能量密度的填充改性探索，并對其毀傷效果進行驗證。Xu 和周杰等［9-11］將鎢（W）引入到Al/PTFE 反應材料以提高材料密度，并進行了撞擊間隔靶、準靜態(tài)壓縮和沖擊釋能實驗，研究了材料的釋能特性和力學性能。張軍等［8］將ZrH2添加到Al/PTFE 反應材料中并制備了藥型罩，開展了高速穿靶實驗，研究了撞擊-反應雙重毀傷效果，驗證了ZrH2對Al/PTFE 反應材料藥型罩穿靶孔徑的增強效果。Yuan 等［7］制備了PTFE/Al/Bi2O3、PTFE/Al/MoO3、PTPE/Al/Fe2O3雙層彈丸，通過建立動能和化學能聯(lián)合作用的分析模型，討論了反應彈丸撞擊雙層板的時序毀傷行為。黃駿逸等［12］將Fe2O3，MoO3，MnO2引入到Al/PTFE 反應材料，制備了3 種三元氟基反應材料，并測試其準靜態(tài)壓縮條件下的力學性能，以及制備的藥型罩在炸藥驅動下對靶板的穿孔擴孔效應。吳家祥等［13］制備了PTFE/Al/TiH2、PTFE/A1/MgH2和PTFE/Al/ZrH2反應材料，通過準靜態(tài)壓縮試驗和霍普金森壓桿試驗，研究了材料的力學響應，通過藥型罩沖擊損傷實驗，系統(tǒng)地研究了反應能量、反應機理和損傷效應。

HTa 具有較高的密度（15.1 g·cm-3），且研究發(fā)現，高密度的金屬鉭在制備爆炸成型彈丸（EFP）等方面具有良好的侵徹穿甲效果，相關研究結果表明鉭侵徹威力較銅提升30%～35%［14-15］。任萍等［16］將金屬鉭粉（Ta）在600～800 ℃下保溫1～3 h，停電降溫通入氫氣，制備得到實驗HTa 原材料，而HTa 脫氫需要升溫至600～900 ℃。同時，已有研究表明，HTa 對Al/PTFE材料的力學強度有提升效果，在壓縮點火時發(fā)生分解釋放氫氣并參與Al/PTFE 反應，且反應熱值較高［17］。

盡管目前進行了大量的材料填充改性的毀傷實驗，但同時兼顧材料密度與能量密度的研究較少。為改善Al/PTFE 材料的密度和能量密度，提高Al/PTFE 反應彈丸撞擊間隔靶的時序毀傷行為。本研究通過填充改性的方式引入HTa，制備了Al/HTa/PTFE 反應材料，并開展了實驗研究。通過動態(tài)力學實驗分析材料的動態(tài)力學響應，開展了2 種沖擊速度的彈道槍沖擊實驗以驗證該材料的侵徹與沖擊反應釋能效果。并討論了毀傷效應與填料含量、撞擊速度和化學特性的關系。

1 實驗部分

1.1 原料與樣品試件制備

原料：PTFE，平均粒徑25 μm，上海三愛富新材料股份有限公司；Al 粉，平均粒徑1 μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司；儲氫鉭粉（HTa），8 μm，寧夏東方鉭業(yè)有限公司；無水乙醇（上海國藥集團化學試劑有限公司）。

Al/HTa/PTFE 反應材料樣品制備：將Al 和PTFE 的質量分數按照化學平衡比（26.5%/73.5%）進行配比，HTa 再以4 種含量（5%，10%，20%，30%）填充到Al/PTFE 材料中，制備得到不同質量分數HTa 的Al/HTa/PTFE 反應材料Ⅰ#～Ⅴ#，如表1 所示。

表1 Al/HTa/PTFE 復合材料各組分配比Table 1 Component ratios of the Al/HTa/PTFE composites

試件的制備：使用電動攪拌器將表1中Al-HTa-PTFE混合物在無水乙醇溶液中攪拌30 min，以制備均勻分散的溶液，再置于60 ℃真空烘箱中干燥24 h。然后在300 MPa 的壓制壓力下使用模具冷壓成尺寸為Φ10 mm×5 mm 和Φ10 mm×20 mm 的圓柱體，并在燒結溫度為360 ℃的真空烘箱中恒溫燒結4 h，其中加熱速率為90 ℃·h-1，冷卻速度為50 ℃·h-1，最終得到分離式霍普金森壓桿實驗試件和彈道槍沖擊毀傷實驗圓柱體試件。Ⅰ#～Ⅴ#材料制成的彈丸分別記為1#～5#，其中Al/PTFE 材料制作的彈丸（1#）為對比組。

1.2 實驗裝置

使用直徑為20 mm 的鋁材分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗裝置測試材料的動態(tài)力學性能和沖擊點火特性，依托合肥姜水動態(tài)力學實驗技術有限公司平臺開展實驗，裝置示意圖如圖1 所示。SHPB 實驗裝置由撞擊桿、入射桿、透射桿和能量吸收桿組成，長度分別為800，4528，2525 mm 和1000 mm。通過高速攝影（FASTCAM SA-Z）和數據采集儀等對實驗數據進行采集。

圖1 SHPB 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SHPB experimental device

彈道槍沖擊毀傷實驗測試反應彈丸對間隔鋼靶的侵徹毀傷行為，實驗依托南京理工大學湯山科研實驗中心進行。實驗裝置如圖2 所示，主要由12.7 mm 口徑彈道槍、六通道測速儀、靶板、高速攝影（FASTCAM SA-Z）等組成。彈道槍口與最前端撞擊靶距離為3 m，間隔靶規(guī)格為3 mm 厚4340 鋼板，用來評估撞擊毀傷后效，靶與靶之間間隔設為25 cm。

圖2 彈道槍沖擊實驗Fig.2 Ballistic impact experiments

1.3 實驗部分

1.3.1 動態(tài)壓縮試驗

考慮到氟聚物反應材料的波阻抗較低，選用鋁材實驗桿進行試驗，并在撞擊桿和入射桿之間放置橡膠墊片脈沖整形器，以實現入射脈沖緩慢上升，從而最大限度地減少分散效應，實現試件中的動態(tài)應力平衡和恒應變率變形。為了便于應力通過試件快速傳遞并達到恒定應力狀態(tài)［18-19］，采用長徑比為0.5 的圓柱形試件。在試件端面涂凡士林，以保持光滑和潤滑，減少徑向、縱向慣性，減少端面摩擦約束。實驗過程中，撞擊桿碰撞入射桿并產生入射波，通過入射桿和透射桿上的應變片記錄應力波的脈沖信號。為了分析材料的應變率效應，調整撞擊桿速度（5、8、11、14、17 m·s-1）改變應變率。

1.3.2 間隔板的損傷實驗

反應彈丸通過彈托安裝在12.7 mm 口徑彈道槍進行沖擊靶板毀傷實驗，并通過調整發(fā)射藥質量實現彈丸2 種撞靶速度（900、1250 m·s-1，如1#毀傷元的兩種彈道速度實驗分別命名為1#-1、1#-2）。使用六通道測速儀測定彈丸的沖擊速度，并通過高速攝影記錄反應彈丸的飛行姿態(tài)，反應藥柱撞靶后的反應現象、反應時長以及撞擊-破碎-飛散-反應的過程。根據Ⅰ#～Ⅴ#材料力學性能和填料含量，選取Ⅰ#，Ⅲ#，Ⅴ#材料制成彈丸毀傷元（1#，3#，5#），開展反應材料彈丸類型和彈道速度實驗，并對其侵徹釋能毀傷性能進行分析和討論。

1.3.3 其他測試

采用 Hitachi S-4800 型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM）對原材料粉末及燒結后試件內部微觀形貌進行觀測。

2 結果與討論

2.1 動態(tài)壓縮下材料的力學性能

圖3 和圖4 分別為Al/PTFE 和4 種Al/HTa/PTFE 反應材料的真實應力-應變曲線，Ⅰ#～Ⅴ#反應材料在不同應變率下的應力-應變曲線均可分為彈性階段、塑性階段、破壞失效階段。Ⅰ#反應材料的應力-應變曲線呈現良好一致性，應變率效應明顯，而含有HTa 改性填料的反應材料（Ⅱ#～Ⅴ#）不同應變率下的應力-應變曲線部分發(fā)生波動，應變率效應不明顯。對比圖4a～d近似應變率（3300 s-1附近）時5 種材料的壓縮強度可以看出，Ⅰ#材料強度為151.6 MPa，Ⅱ#材料強度為80.9 MPa，Ⅲ#～Ⅴ#材料的壓縮強度均回升到110 MPa以上，隨著HTa 含量的增加呈先降低后回升趨勢。

圖3 Ⅰ#材料的真實應力-應變曲線Fig.3 The true stress-strain curves of Ⅰ# material

圖4 4 種類型Al/HTa/PTFE 材料的真實應力-應變曲線Fig.4 True stress-strain curves of four types of Al/HTa/PTFE materials

當試件壓縮變形時，金屬顆粒在PTFE 基體中相互連接形成力鏈并承受和傳遞載荷，阻止試件進一步變形。顆粒填料的質量分數或粒度改變對動態(tài)載荷下試件塑性變形、失效行為和化學反應具有復雜影響［20-21］。試件在加載時，大尺寸、形狀不規(guī)則顆粒不利于形成穩(wěn)定的力鏈，且容易造成應力集中［22］。從圖5 為原材料及Ⅱ#樣品的微觀結構圖可以看出，HTa 粉形狀不規(guī)則且粒度分布不均勻，部分粒徑在10 μm 左右。Al 顆粒平均粒徑約為1 μm 且表面光滑。因此，HTa 含量較少時（5%），材料的壓縮強度降低，而當HTa 含量升高時，主要由HTa 材料為主要顆粒增強填料，應力集中效應分散，材料的壓縮強度回升。隨著應變率進一步提高，Al/HTa/PTFE 試件（2#～5#）內部發(fā)生黏塑性變形和裂紋擴展形成熱點進而發(fā)生反應［1］，但應力-應變總體變化趨勢一致。

圖5 原材料和混合粉末的微觀結構圖Fig.5 Microstructure of the original materials and mixed powers

2.2 沖擊點火反應特性

采用“升降法”［23］得到4 種類型Al/HTa/PTFE 材料（Ⅱ#～V#）的應變率點火閾值，結果如圖6 所示。其中Al/PTFE 反應材料在實驗應變率下沒有發(fā)生點火反應，因此圖中不進行表述。從圖6 應變率（撞擊速度）點火閾值曲線（黑色折線）可以看出，4 類Al/HTa/PTFE試件均在最高應變率下發(fā)生反應。隨著HTa 含量的升高，Al/HTa/PTFE 材料的應變率點火閾值先升高后降低。其中，HTa 的質量分數從5%升高到10%時閾值提高，從10%升高到30%時閾值下降。

圖6 不同HTa 含量的Al/HTa/PTFE 材料點火閾值Fig.6 Ignition threshold of Al/HTa/PTFE materials with different contents of HTa

從圖6 點火試件對應的動態(tài)壓縮強度曲線（紅色折線）可以看出，發(fā)生點火反應的試件壓縮強度均較高，而試件的HTa 質量分數在5%～20%時，點火反應的壓縮強度閾值提高，質量分數在20%～30%時，閾值下降，點火反應的壓縮強度閾值下降。當維持力鏈的填料較少，沖擊誘發(fā)點火的壓縮強度較低。然而，過量的填料會破壞力鏈的穩(wěn)定性并加速裂紋的形成［20］。

對4 種Al/HTa/PTFE 材料制成的試件（2#～5#）進行了掃描電鏡測試，得到了試件斷口微觀形貌圖，如圖7所示，Al 顆粒和大尺寸且形狀不規(guī)則的HTa 顆粒包裹在PTFE 基體中，基體中存在微孔洞，顆粒與基體界面存在間隙。沖擊壓力作用下微孔洞附近發(fā)生變形并形成溫度梯度較大的局部溫升區(qū)，微孔洞越大，其表面附近能量沉積得越多，溫升越高［24，1］。從2#～5#試件內部微孔洞可以看出，隨著HTa 含量的升高，試件內部空洞和空隙率呈先降低后升高的趨勢，這與非均質含能材料內部熱點和數量的變化趨勢相似。即試件壓縮過程中吸收能量并在微孔洞附近形成溫升區(qū)，而試件的力學性能、空隙率進一步影響試件加載時內部溫度和數量，進而影響點火閾值。

圖7 Al/HTa/PTFE 試件內部掃描電鏡結果Fig.7 Scanning electron microscope results inside of Al/HTa/PTFE specimens

圖8 分別為Ⅱ#～Ⅴ#材料在應變率閾值（黑色折線）條件下的撞擊點火過程。由圖8a、8d 加載反應過程可以看出，HTa質量分數為5%、30%的試件在300 μs開始破碎飛散，隨后發(fā)生弱點火反應。由圖8b、8c 加載反應過程可以看出，HTa 質量分數為10%、20%的試件隨著應變率升高，應力波脈沖幅值增大，試件破碎和點火延遲時間縮短。點火延遲時間為從試件初始加載時刻至試件發(fā)火的時間間隔。Ⅱ#～Ⅴ#材料的點火延遲時間分別為：1250，400，450，900 μs。研究分析表明［1］，同種材料僅改變加載應變率時，隨著應變率的提高，點火延遲時間縮短。根據加載應變率與點火延遲時間的關系，發(fā)現Ⅱ#材料在4470 s-1時的點火延遲時間（1250 μs）反而比低應變率下（Ⅴ#材料在3948 s-1）的點火延遲時間（900 μs）更久，為反常現象。結合準靜態(tài)壓縮力學性能［17］和動態(tài)壓縮強度可知，Ⅱ#材料的準靜態(tài)和動態(tài)抗壓強度值最低。由于試件壓縮產生的高裂紋面積是引發(fā)反應的關鍵機制［20］。在塑性變形期間，力鏈保持的損傷引起更多的局部應力集中，增強了材料反應的可能性。因此，認為Ⅱ#材料力學性能較弱是點火延遲時間反常的主要因素。

圖8 Al/HTa/PTFE 材料撞擊點火過程 （a.Ⅱ#；b.Ⅲ#；c.Ⅳ#；d.Ⅴ#）Fig.8 Impact ignition process of Al/HTa/PTFE materials （a.Ⅱ#；b.Ⅲ#；c.Ⅳ#；d.Ⅴ#）

結合以上分析可知，HTa 質量分數的升高導致Al/HTa/PTFE 材料的應變率點火閾值先升高后降低，點火延遲時間先降低后升高。

2.3 撞靶毀傷效應分析

反應材料毀傷元兼具良好的力學性能和高能量密度，彈丸撞擊靶板除了動能打擊外，強烈的機械撞擊誘發(fā)化學反應釋放大量熱量并形成高壓，造成動能和化學能耦合毀傷效果。選取1#、3#、5#反應材料彈丸并以2 種彈速進行毀傷實驗，毀傷效果如表2 所示。靶板具體毀傷尺寸見表3，其中第2 靶板侵徹穿孔面積使用圖像二值化方法處理計算［25］。

表2 三種彈丸對靶板的毀傷效果Table 2 Damage effects of three kinds of projectiles onto targets

表3 沖擊毀傷結果Table 3 Impact damage results

1#彈丸在低速（850 m·s-1左右）和高速（1250 m·s-1左右）下對第1 靶板毀傷尺寸均為彈丸孔徑的2.08 倍，但低速時對第2 靶板毀傷效果為輕微黑色灼燒痕跡無彈坑，高速時第2 靶板毀傷效果為黑色灼燒痕跡和穿孔；3#彈丸在低速和高速沖擊下對第1 靶板毀傷尺寸分別為彈丸孔徑的2.11 和1.69 倍，高速下對第2 靶板毀傷效果除大量黑色灼燒痕跡外，靶板由撓度為8.54 mm的彈坑升級為穿孔；5#彈丸在低速和高速沖擊下對第1 靶板毀傷尺寸均為彈丸孔徑的1.68 倍，高速沖擊時第2 靶板的毀傷面積由76.9 mm2升級到273.1 mm2，而且對第3 靶板造成撓度為2.4 mm 的破片坑。分析認為，灼燒痕跡和黑色積碳是彈丸穿過第1 靶后破碎形成的碎片云反應灼燒形成。分散型破片坑主要由于彈丸試件撞擊靶板時，鋼板在發(fā)生變形、破壞和穿孔的過程中，靶板背面崩落和沖塞剪切生成碎片撞擊后效鋼板引起。

在擴孔方面，低發(fā)射速度的3#反應材料彈丸（3#-1實驗）對第1 靶板毀傷破孔面積最大，穿孔直徑為彈丸自身的2.11 倍。而5#反應材料彈丸對第1 靶板穿孔尺寸最小，穿孔直徑為彈丸直徑的1.68 倍。在后效靶反應灼燒方面，Al/PTFE 材料彈丸在低速時黑色灼燒痕跡和積碳較少，但隨著發(fā)射速度和HTa 含量提高，靶板灼燒痕跡增加；在侵徹能力與破片毀傷方面，隨著HTa 含量和撞擊速度升高，第2 靶板和第3 靶板毀傷效果增加。

上述實驗表明，Al/HTa/PTFE 反應材料在高速沖擊毀傷時HTa 填料可提高侵徹毀傷能力，造成動能侵徹的同時，沖擊引發(fā)反應產生高溫灼燒、破片等可對目標內部造成二次殺傷。

2.4 彈道槍實驗沖擊反應特性分析

圖9 為高速攝影記錄反應材料侵徹間隔靶板的典型過程，為了獲得清晰圖像高速攝像機設置為10000幀/秒。由圖9 可以看出，反應材料彈丸在撞靶瞬間反應強度較低，但在穿過第1 靶板后剩余彈丸撞擊第2靶板時的反應更加劇烈，反應釋能主要發(fā)生在第1 靶板和第2 靶板之間。

圖9 彈丸撞靶反應過程Fig.9 Reaction processes of projectiles impacting targets

為了準確對比同一撞靶時刻不同類型試件的反應強度（瞬時火焰面積與最大火焰面積之比），采用圖像處理技術調整照片灰度、對比度等參數，并使用Matlab 處理得到的二值化圖像（圖10）。通過高速攝影記錄反應時間（從撞擊鋼靶點火到反應強度低于10%），繪制反應前期不同類型材料的反應強度-反應時間曲線（圖11），進行準確量化分析。從圖11 可以看出，隨著HTa 含量的增加，材料在反應初期的反應強度降低，而后期的反應強度增強。分析認為HTa 含量越高，試件質量越大，進而在相同發(fā)射速度下動能越高，破片穿靶能力越強，更多未反應的材料撞擊第2靶板發(fā)生后續(xù)反應。

圖10 Matlab 處理的反應彈丸過程二值化圖像Fig.10 Binarized images of the reaction projectile impact process from Matlab

圖11 反應彈丸撞擊反應的相對火焰強度與反應時間曲線Fig.11 Curve between relative flame intensity and reaction time for impact reaction of reactive projectiles

3 結 論

針對Al/HTa/PTFE 氟聚物基反應材料，分析了不同HTa 含量的反應材料在不同動態(tài)載荷下的力學性能，與彈道槍不同速度下的沖擊毀傷效果，主要結論如下：

（1）當應變率約為3300 s-1時，Ⅰ#，Ⅱ#材料的壓縮強度分別為151.6 MPa，80.9 MPa，Ⅲ#～Ⅴ#材料的壓縮強度均回升到110 MPa 以上，隨著HTa 含量的增加呈先降低后回升趨勢。Al/HTa/PTFE 材料的動態(tài)應力-應變曲線沒有表現明顯的應變率效應。隨著HTa含量的升高，Ⅱ#～Ⅴ#材料的應變率點火閾值先升高后降低，分別為：4470，5620，5135，3948 s-1。Ⅱ#～Ⅴ#材料的點火延遲時間先降低后升高，分別為：1250，400，450，900 μs。

（2）相比于Al/PTFE 彈丸，Al/HTa/PTFE 彈丸在間隔靶之間存在明顯的反應區(qū)擴大、對靶板造成嚴重黑色燒灼痕跡和積碳效果。隨著發(fā)射速度提高，靶板灼燒痕跡增加，第2 靶板毀傷效果提升。在1250 m·s-1左右發(fā)射速度下，隨著HTa 含量提高，1#，3#，5#彈丸對第2 靶板的毀傷面積依次由87.4 mm2，升級到76.9，273.1 mm2。說明提高彈道速度和HTa 含量可提高反應材料彈丸對第2 靶板和第3靶板侵徹、高溫灼燒毀傷效果，進一步增強反應材料的毀傷能力。