陶忠明，方 向，李裕春，馮 彬，王懷璽，黃駿逸

（解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京，210007）

PTFE基含能藥型罩制備及毀傷性能研究

陶忠明，方 向，李裕春，馮 彬，王懷璽，黃駿逸

（解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京，210007）

選取了不同PTFE(聚四氟乙烯)基反應材料，通過模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強度的PTFE基含能藥型罩，并利用炸藥對其進行直接驅(qū)動撞靶實驗。結(jié)果顯示：各PTFE基含能藥型罩都能在炸藥驅(qū)動下成功撞擊反應，Mg/PTFE反應材料制備的藥型罩和Al/Fe2O3/PTFE反應材料制備的藥型罩對靶板開孔效果極好，開孔直徑分別為13cm和12cm；而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反應材料制備的藥型罩僅在撞擊部位造成變形凹坑。研究表明靶板穿孔效應與PTFE基含能藥型罩所能承受的最大真實應力值有關，藥型罩所能承受的最大真實應力值過小會導致藥型罩對靶板穿孔擴孔失敗。

藥型罩；反應材料；PTFE；撞擊反應；穿透

反應材料又被稱為沖擊引發(fā)的含能材料，這類材料通常經(jīng)粉末壓實、真空燒結(jié)等工藝方法形成，具有一定的強度、硬度和質(zhì)量密度特性，并且在沖擊作用下可發(fā)生化學反應生成新的產(chǎn)物并伴隨釋放大量熱量[1-3]。目前國內(nèi)外學者主要對反應材料的工程應用開展了大量實驗研究。2009～2013年，ATK公司及美國海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）[4-5]相繼披露了反應材料在武器系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部中的應用研究。國內(nèi)研究機構(gòu)[6-12]對反應材料尤其是反應材料破片的毀傷后效及釋能效率開展了廣泛實驗研究。

PTFE基反應材料的應用目標是用密度相對低的反應材料替代彈藥中密度相對高的惰性結(jié)構(gòu)材料（如金屬類的破片、聚能罩、殼體及附屬結(jié)構(gòu)件等），并具備足夠的力學性能，這將使得常規(guī)戰(zhàn)斗部的能量提高，或者質(zhì)量減輕。本文設計了一種球缺形藥型罩壓藥模具，并通過模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強度的PTFE基含能藥型罩，同時實驗研究了8種不同PTFE基含能藥型罩在炸藥的驅(qū)動下撞擊鋼靶的作用過程。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及配方

鎂粉（上海超威納米科技有限公司，8～10μm）；鋁粉（湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，3～5μm）；鎳粉（上海乃歐納米科技有限公司，3～5μm）；鈦粉（上海超威納米科技有限公司，3～5μm）；氧化鐵（上海乃歐納米科技有限公司，3～5μm）；氧化鐵（上海實意化學試劑有限公司，分析純AR）；聚四氟乙烯（上海三愛富新材料股份有限公司，25μm）。8種氟基反應材料的配比如表1所示。

表1 實驗樣品及配方 （％）Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

1.2 模具設計及試件制備

圖1為設計的球缺形藥型罩壓藥模具示意圖，模壓出的藥型罩為等壁厚球缺形，內(nèi)外曲率半徑分別為1.8cm和1.95cm，實驗壓制的藥型罩壁厚為1.5mm。

試件制備過程分3步：混藥-模壓-燒結(jié)?；焖庍^程為：稱取相應質(zhì)量比的原料置于燒杯中，加入適量無水乙醇浸沒并機械攪拌20min，再將攪拌后的原料置于真空烘箱中加熱5～6h直至烘干，最后過篩得到均勻Mg/PTFE、Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Ti/PTFE、Al/Ni/PTFE、Al/Fe2O3(AR)/PTFE、Al/Fe2O3/PTFE粉末。利用成型模具及FLS30T液壓機模壓制備尺寸為Φ10mm×15mm的試件用于準靜態(tài)壓縮實驗，如圖2（a）所示。同時利用設計的模具及FLS30T液壓機模壓制備固定形狀的藥型罩，如圖2（b）所示。對用于準靜態(tài)壓縮實驗的各類試件以及藥型罩進行燒結(jié)，實驗時燒結(jié)溫度設為350℃。燒結(jié)溫度控制過程曲線如圖2（c）所示。

圖1 壓藥模具示意圖Fig.1 Schematic of charge mould

圖2 模壓成型后的試件及燒結(jié)溫度控制示意圖Fig.2 Specimens after molding and schematic diagram of the sintering temperature control

1.3 準靜態(tài)壓縮實驗

參照GB/T 7314-2005 金屬材料 室溫壓縮試驗方法，使用SFLS-30T萬能實驗機對尺寸為Φ10mm ×15mm的各類試件進行壓縮速度為0.03s-1的準靜態(tài)壓縮實驗。測試條件：準靜態(tài)壓縮最大載荷設置為52kN，實驗環(huán)境溫度為25℃。實驗測得試件的真實應力——應變曲線如圖3所示。

圖3 試件受壓過程的真實應力——應變曲線（燒結(jié)溫度350℃）Fig.3 True stress vs strain curves of specimens in the compression process (sintering at 350℃)

各試件對應的最大真實應力值同時也是燒結(jié)過后相同材料氟基含能藥型罩的最大真實應力值。

1.4 藥型罩相關參數(shù)及毀傷實驗布置

8種藥型罩的相關參數(shù)如表2所示。圖4（a）為氟基含能藥型罩毀傷元的裝藥結(jié)構(gòu)，主要由殼體、氟基含能藥型罩、主裝藥組成。其中，主裝藥采用壓裝塑性炸藥，密度為1.57g/cm3；殼體材料采用尼龍塑料，分上下兩層，上層膠粘氟基含能藥型罩，下層壓裝塑性炸藥，中間隔層降低了塑性炸藥爆轟對藥型罩的直接沖擊作用。實驗采用單靶板，靶板使用厚度為3mm的304不銹鋼板，氟基含能藥型罩與靶板的間距為5cm，采用電起爆方式。圖4（b）為實驗現(xiàn)場總體布置圖。

表2 8種藥型罩的相關參數(shù)Tab.2 The related parameters of eight kinds of liners

圖4 氟基含能藥型罩毀傷元裝藥結(jié)構(gòu)與實驗現(xiàn)場總體布置圖Fig.4 The shaped charge of the liners and the setup of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 撞靶效果

點火后，氟基含能藥型罩毀傷元在炸藥爆轟壓力作用下高速撞擊鋼靶，瞬間產(chǎn)生強烈火光，并在鋼靶上留下孔洞，反應結(jié)束后實驗毀傷效果和各氟基含能藥型罩對靶板的穿孔孔徑大小如圖5所示。各氟基含能藥型罩毀傷元對靶板的毀傷效果數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)圖5以及表3的數(shù)據(jù)分析可知：（1）各氟基含能藥型罩都能在TNT驅(qū)動下成功撞擊靶板，根據(jù)撞擊時的劇烈反應現(xiàn)象以及靶板正面撞擊部位的黑色燒蝕痕跡，可以確定各氟基含能藥型罩都成功撞擊反應。（2）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#藥型罩均能在撞擊靶板反應的同時擊穿靶板；而6#藥型罩在撞擊靶板反應的同時未能擊穿靶板，僅在撞擊部位造成變形凹坑。（3）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#藥型罩以及0#藥型罩（未裝藥型罩）均能成功擊穿靶板，但由圖5（e）和圖5（f）可知，0#藥型罩造成的穿孔是沖塞形孔洞，而其余藥型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，這表明氟基含能藥型罩能產(chǎn)生較好的徑向膨脹擴孔效應。（4）1#藥型罩對靶板的貫穿效果最好，穿孔直徑達到13cm；6#藥型罩對靶板的貫穿效果最差，未能貫穿靶板。

圖5 實驗毀傷效果Fig.5 The damage effect of the experiment

表3 各氟基含能藥型罩對靶板的毀傷效果相關參數(shù)Tab.3 The related parameters of the damage effect to the amours of liners

2.2 撞靶行為分析

氟基含能藥型罩在TNT炸藥驅(qū)動下以極高的速度撞擊靶板，在撞擊靶板瞬間發(fā)生劇烈化學反應并釋放大量熱量，同時對靶板造成貫穿和徑向膨脹擴孔效應。各氟基含能藥型罩撞擊瞬間發(fā)生的主要化學反應方程式如下：

其中，1#藥型罩和7#藥型罩能承受的最大真實應力值分別為44MPa和41MPa，對靶板開孔效果極好，開孔直徑分別為13cm和12cm；2#藥型罩、3#藥型罩、4#藥型罩、8#藥型罩能承受的最大真實應力值分別為59MPa、57MPa、42MPa、38MPa，對靶板開孔效果較好，開孔直徑分別為8cm、6cm、6cm、8cm；5#藥型罩能承受的最大應力值為79MPa，對靶板開孔效果一般，開孔直徑為2.5cm；6#藥型罩能承受的最大真實應力值為21MPa，對靶板開孔效果極差，未能貫穿靶板。

由以上分析可以看出：（1）各氟基反應藥型罩均能在高速撞擊下成功發(fā)生化學反應，并能對靶板產(chǎn)生穿孔擴孔作用（6#藥型罩除外）；（2）Mg/PTFE反應材料制備的藥型罩（1#）在撞擊瞬間能發(fā)生劇烈氟化還原反應，導致藥型罩在穿靶過程對靶孔產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴孔效應，開孔直徑達到13cm；Al/Fe2O3/PTFE反應材料制備的藥型罩（7#）在撞擊瞬間能同時發(fā)生劇烈氟化還原反應以及鋁熱還原反應，生成高溫金屬熔渣較多，導致藥型罩在穿靶過程對靶孔產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴孔效應，開孔直徑達到12cm。（3）從靶板的穿孔效果來看，靶板穿孔效應與氟基含能藥型罩所能承受的最大真實應力值有關，藥型罩所能承受的最大真實應力值過小會導致藥型罩在撞擊靶板瞬間完全破碎，雖然仍能有效反應，但會導致藥型罩對靶板穿孔擴孔失敗，所以6#藥型罩（能承受的最大真實應力值為21MPa）雖然成功撞擊反應，但未能貫穿靶板。

3 結(jié)論

本文利用設計的球缺形藥型罩壓藥模具，選取了8種不同氟基反應材料，并通過模壓燒結(jié)的工藝制備了一批具有一定強度的氟基含能藥型罩，并利用塑性炸藥對其進行直接驅(qū)動撞靶實驗。實驗結(jié)果表明：（1）各氟基含能藥型罩都能在炸藥驅(qū)動下成功撞擊反應，并能對靶板產(chǎn)生穿孔擴孔作用（6#藥型罩除外）。（2）0#（未裝藥型罩）藥型罩對靶板造成的穿孔是沖塞形孔洞，而氟基含能藥型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，這表明氟基含能藥型罩能產(chǎn)生較好的徑向膨脹擴孔效應。（3）Mg/PTFE反應材料和Al/Fe2O3/PTFE反應材料制備的藥型罩在穿靶過程對靶孔會產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴孔效應而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反應材料制備的藥型罩僅在撞擊部位造成變形凹坑。（4）靶板穿孔效應也與氟基含能藥型罩所能承受的最大真實應力值有關，藥型罩所能承受的最大真實應力值過小會導致藥型罩在撞擊靶板瞬間完全破碎，雖然仍能有效反應，但會導致藥型罩對靶板穿孔擴孔能力下降。

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Research on Preparation and Mutilate Performance of Fluoropolymer-Matrix Energetic Liners

TAO Zhong-ming，F(xiàn)ANG Xiang，LI Yu-chun，F(xiàn)ENG Bin，WANG Huai-xi，HUANG Jun-yi
(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing, 210007）

Using charge mould of hemispherical liner and selecting eight kinds of fluoropolymer-matrix reactive materials，a group of certain intensity fluoropolymer-matrix energetic liners were prepared, by moulding and sintering method，as well as the impact experiment was carried out by the explosive driver. The results show that fluoropolymer-matrix energetic liners can produce chemical reaction under the impact by the explosive driver, and can effectively penetrating the steel plate. The liners which were made of reactive Mg/PTFE and Al/Fe2O3/PTFE materials can effectively penetrating the steel plate, and the aperture size for the steel plate are13cm and 12cm. But the liner made of reactive Al/Fe2O3（AR）/PTFE material, just caused deformation pits in the impact site.The steel plate perforation effect with the maximum real stress of the fluoropolymer-matrix energetic liners were concerned，the lower maximum real stress value of liners can cause the failure of penetrating and reaming to the steel plate.

Liner；Reactive material；PTFE；Impact reaction；Penetration

TJ410.3+33

A

1003-1480（2016）06-0013-04

2016-09-27

陶忠明（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事爆破技術研究工作。

國家科學自然基金（批準號：51673213）。