王懷璽，方 向，馮 彬，李裕春，吳家祥，黃駿逸

?

鋁含量對(duì)鋁-聚四氟乙烯反應(yīng)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng)和反應(yīng)特性的影響

王懷璽，方 向，馮 彬，李裕春，吳家祥，黃駿逸

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

為了研究鋁含量對(duì)鋁-聚四氟乙烯（Al-PTFE）反應(yīng)材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng)和反應(yīng)特性的影響，通過(guò)特定的冷壓和燒結(jié)工藝，制備了4種不同Al含量的Al-PTFE試件，并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋁含量影響材料的力學(xué)響應(yīng)和失效模式，進(jìn)而影響材料的反應(yīng)特性；含有16 wt% Al的試件部分反應(yīng)，26 wt% Al的試件完全反應(yīng)，36 wt% Al和46 wt% Al的試件未發(fā)生反應(yīng)；在反應(yīng)的兩類試件中觀察到張開(kāi)型裂紋和剪切裂紋，而在未反應(yīng)的試件中僅觀察到剪切裂紋。

Al-PTFE； 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮； 力學(xué)響應(yīng)；反應(yīng)特性

反應(yīng)材料（reactive materials,RMs）又稱沖擊引發(fā)的含能材料，通常由兩種或兩種以上非爆炸性固體材料組成[1]。與傳統(tǒng)的含能材料不同，在沖擊加載過(guò)程中，此類材料在沒(méi)有引信的條件下組分之間能相互反應(yīng)發(fā)生爆燃或爆炸，釋放大量的化學(xué)能，具備高能量密度、能量釋放速率以及力學(xué)強(qiáng)度。金屬-聚合物復(fù)合材料是一類典型的反應(yīng)材料，而鋁-聚四氟乙烯（Al-PTFE）是這類材料的代表。由化學(xué)平衡比組成的Al-PTFE反應(yīng)材料的單位質(zhì)量的理論熱值為8.53MJ/kg，是TNT（4.18MJ/kg）的兩倍左右。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Al-PTFE反應(yīng)材料展開(kāi)了廣泛研究，主要集中在材料的制備[2-6]、力學(xué)響應(yīng)[7-12]、能量輸出特性[13-17]等方面。但由于材料反應(yīng)是在高速?zèng)_擊下進(jìn)行，目前的觀測(cè)手段無(wú)法清晰地獲知整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，各學(xué)者對(duì)材料的反應(yīng)機(jī)理仍未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。馮彬[18-19]等發(fā)現(xiàn)采用特定的冷壓和燒結(jié)工藝制備得到的Al-PTFE試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下能夠發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，研究了燒結(jié)溫度、材料配比、Al粒徑3種因素對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮反應(yīng)的影響，并確定了Al-PTFE發(fā)生反應(yīng)的材料-工藝范圍，但針對(duì)鋁含量對(duì)Al-PTFE力學(xué)響應(yīng)和反應(yīng)現(xiàn)象的影響未做詳細(xì)闡述。本文優(yōu)化了制備工藝，對(duì)4種不同Al含量的Al-PTFE試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，分析其對(duì)材料力學(xué)響應(yīng)、失效模式以及反應(yīng)現(xiàn)象的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試件制備

采用冷壓和燒結(jié)工藝制備了質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為16%、26%、36%、46% 的4種不同Al含量的Al-PTFE試件。粉末粒徑分別為：Al: 6~7μm，PTFE：25μm。試件制備主要分為3個(gè)步驟：（1）混料：將Al粉和PTFE粉末放入裝有酒精的燒杯中，機(jī)械攪拌20min，使兩種粉末充分混合。然后將混合后的溶液倒入蒸發(fā)皿并放入真空烘箱，在60℃的溫度下干燥48h，保證酒精完全揮發(fā)（不定時(shí)地將揮發(fā)出的酒精氣體抽出）；（2）壓制：將干燥后的粉末進(jìn)行過(guò)篩處理，避免粉末團(tuán)聚。通過(guò)漏斗將粉末裝入模具，隨后利用液壓機(jī)將粉末壓制成尺寸φ10mm×10mm的準(zhǔn)靜壓標(biāo)準(zhǔn)件。壓制壓力300MPa，為防止試件回彈，需要在壓制壓力的位置保壓，保壓時(shí)間1min；（3）燒結(jié)：將壓制成型的試件放入燒結(jié)爐中，為防止燒結(jié)過(guò)程中Al被氧化，利用真空泵將爐中的氣體抽出。具體燒結(jié)工藝為：以90℃/h的升溫速度升到燒結(jié)溫度360℃，保溫6h，然后以50℃/h的降溫速度降至25℃。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程中溫度的控制由內(nèi)置在燒結(jié)爐中的溫度控制器完成。

不同Al含量的試件燒結(jié)后的狀態(tài)如圖1所示，試件的密度和理論最大密度見(jiàn)表1。

為了考察混料的均勻性，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試件的微觀形貌，如圖2所示。從圖2（a）中可以看出Al顆粒均勻分布在PTFE基體中，圖2（b）、2（c）和2（d）分別是元素Al、C、F的面分布圖，3種元素在采樣區(qū)域均勻分布，進(jìn)一步證明了本文制備工藝的可靠性。

表1 不同Al含量的Al-PTFE試件燒結(jié)后密度

Tab.1 The density of Al-PTFE sample with different Al content after sintering

圖1 不同Al含量的Al-PTFE準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試件

圖2 Al-PTFE（26 wt%Al）試件微觀形貌及元素面分布

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)在CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行，環(huán)境溫度25℃，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 CMT5105試驗(yàn)系統(tǒng)

利用攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)現(xiàn)象，幀速率為25幀/s。壓頭加載速度為6mm/min，對(duì)應(yīng)的試件應(yīng)變率為0.01s-1。每種試件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性。

在準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的是壓頭的實(shí)時(shí)壓力和位移數(shù)據(jù)，材料的工程應(yīng)力和應(yīng)變可由式（1）得出：

式（1）中：σ、分別為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變；為加載力；0、0分別為試件的初始長(zhǎng)度和截面積；為準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中試件的瞬時(shí)長(zhǎng)度。由于加載過(guò)程中試件的截面積和長(zhǎng)度都在改變，工程應(yīng)力——應(yīng)變無(wú)法表征材料的真實(shí)應(yīng)力——應(yīng)變狀態(tài)。根據(jù)體積不變性假設(shè)：00=，可以推導(dǎo)出真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系式：

式（2）中：σ、ε分別為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al含量對(duì)Al-PTFE準(zhǔn)靜態(tài)壓縮反應(yīng)現(xiàn)象的影響

對(duì)4類Al-PTFE試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，每種試件重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為含16 wt% Al的3個(gè)試件部分反應(yīng)；含26 wt% Al的試件全部完全反應(yīng)；而在對(duì)36wt% Al和46wt%Al試件的加載過(guò)程中未觀察到反應(yīng)現(xiàn)象。攝像機(jī)記錄的準(zhǔn)靜態(tài)反應(yīng)過(guò)程如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)加載下的發(fā)火現(xiàn)象

記首次觀察到火光的時(shí)刻=0ms，16 wt% Al試件部分反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間120ms左右，并伴隨張開(kāi)型裂紋的生成；對(duì)于26wt% Al試件，=0ms時(shí)觀察到火光，持續(xù)40ms左右后熄滅，同時(shí)觀察到第1個(gè)張開(kāi)型裂紋；=4 320ms時(shí)第2次觀察到火光，持續(xù)40ms左右后熄滅，形成第2個(gè)張開(kāi)型裂紋；=4 560ms時(shí)第3次觀察到火光并迅速向周圍傳播，試件劇烈反應(yīng)，=7 200ms時(shí)反應(yīng)結(jié)束，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約2 640ms。

在準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)停止加載的判據(jù)為10%的力值下降。對(duì)于本文研究的材料，當(dāng)試件失效時(shí)，壓力會(huì)突然下降，伴隨著應(yīng)變能的釋放，材料呈脆性斷裂。對(duì)于圖4（a）所示的反應(yīng)現(xiàn)象，由于還原劑（Al）較少，由應(yīng)變能釋放引發(fā)的局部反應(yīng)無(wú)法進(jìn)一步向四周傳播，因此材料表現(xiàn)為部分反應(yīng)；對(duì)于圖4（b）所示的反應(yīng)現(xiàn)象，前兩次觀察到火光并迅速熄滅是因?yàn)榱χ迪陆敌∮?0%，未滿足試驗(yàn)機(jī)停止加載的判據(jù)，因此試驗(yàn)機(jī)會(huì)繼續(xù)加載，相應(yīng)的應(yīng)變能釋放較少，雖然氧化劑和還原劑處于化學(xué)平衡比，仍無(wú)法繼續(xù)反應(yīng)。當(dāng)?shù)?次觀察到火光時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示的力值大幅度下降，試驗(yàn)機(jī)停止加載，此時(shí)釋放的能量足以引發(fā)未反應(yīng)區(qū)域，試件劇烈反應(yīng)。

2.2 Al含量對(duì)Al-PTFE力學(xué)響應(yīng)及失效模式的影響

對(duì)不同Al含量的Al-PTFE試件測(cè)試得到的真實(shí)應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖5所示，表2為4種材料的力學(xué)響應(yīng)參數(shù)。

表2 不同Al含量的Al-PTFE試件準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)參數(shù)

Tab.2 The mechanical response parameters of Al-PTFE samples with different Al content under quasi-static compression

圖5 Al含量對(duì)Al-PTFE應(yīng)力——應(yīng)變曲線的影響

從圖5中可以看出4種Al-PTFE試件力學(xué)曲線的走勢(shì)基本一致，有明顯的彈性段和塑性段，應(yīng)變硬化效應(yīng)顯著。圖6為Al含量對(duì)Al-PTFE試件準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)參數(shù)的影響規(guī)律。由表2和圖6可以看出，隨著Al含量的增加，Al-PTFE的彈性模量和屈服強(qiáng)度相應(yīng)增加，而材料的硬化模量、壓縮強(qiáng)度以及失效應(yīng)變則呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，當(dāng)Al和PTFE的含量處于化學(xué)平衡比時(shí)（26 wt%Al）達(dá)到最大。

圖6 Al含量對(duì)Al-PTFE試件準(zhǔn)靜壓力學(xué)響應(yīng)參數(shù)的影響規(guī)律

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后的試件以及截面形貌如圖7所示，由圖7可以看出，26wt% Al試件完全反應(yīng)，加載結(jié)束后試件燃燒為一堆黑色的反應(yīng)產(chǎn)物；16 wt% Al試件部分反應(yīng)，環(huán)向上有張開(kāi)型裂紋，在其截面上同時(shí)也觀察到了剪切裂紋；36wt% Al和46 wt% Al的試件未發(fā)生反應(yīng)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后的試件表面未觀察到任何形式的裂紋，而在其截面上觀察到了剪切裂紋。

圖7 準(zhǔn)靜態(tài)加載后不同Al含量的Al-PTFE試件形狀及截面形貌

根據(jù)以上現(xiàn)象，反應(yīng)的兩類試件均出現(xiàn)了張開(kāi)型裂紋（26 wt% Al試件雖然完全反應(yīng)，但從圖4（b）的反應(yīng)現(xiàn)象中可以很清晰地看到張開(kāi)型裂紋），隨著Al含量的增加，試件表現(xiàn)為剪切失效，因此從宏觀上可推測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)發(fā)火與張開(kāi)型裂紋的形成有直接的關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)觀察試件的微觀形貌以及元素的面分布圖可知，采用本文制備工藝得到的試件有較高的均勻性，該制備工藝較為可靠。

（2）含16 wt% Al試件部分反應(yīng)，26 wt% Al試件完全反應(yīng)，而在對(duì)36 wt% 和46 wt% Al試件的加載過(guò)程中未觀察到反應(yīng)現(xiàn)象。

（3）隨著Al含量的增加，Al-PTFE的彈性模量和屈服強(qiáng)度相應(yīng)提高，而材料的硬化模量、壓縮強(qiáng)度以及失效應(yīng)變則呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。

（4）當(dāng)Al含量較少時(shí)，在壓縮后試件的截面上可觀察到張開(kāi)型裂紋和剪切裂紋，隨著Al含量的增加，試件表現(xiàn)為剪切失效，此時(shí)無(wú)反應(yīng)發(fā)生。因此從宏觀上可推測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)發(fā)火與張開(kāi)型裂紋的形成有直接的關(guān)系。

[1] Zhang X F, Zhang J, Qiao L, et al. Experimental study of the compression properties of Al/W/PTFE granular composites under elevated strain rates[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 581(10):48-55.

[2] Joshi V S. Process for making polytetrafluoroethylene- aluminum composite and product made: US, US6547993[P]. 2003-04-15.

[3] Vavrick D J. Reinforced reactive material: US, US 20050067072 [P]. 2005-03-31.

[4] Nielson D B, Truitt R M, Ashcroft B N. Reactive material enhanced projectiles and related methods: US, US 8122 833[P]. 2012-02-28.

[5] 陽(yáng)世清, 徐松林, 張彤. PTFE/Al反應(yīng)材料制備工藝及性能[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(6):39-42.

[6] 劉曉俊, 任會(huì)蘭. 一種反應(yīng)材料制備及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(4):365-369.

[7] Herbold E B, Nesterenko V F, Benson D J, et al. Particle size effect on strength, failure, and shock behavior in polytetra- fluoroethylene-Al-W granular composite materials[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 104(10):103903-103903-11.

[8] Cai J, Walley S M, Hunt R J A, et al. High-strain, high- strain-rate flow and failure in PTFE/Al/W granular composites [J]. Materials Science & Engineering A, 2008, 472(1-2): 308-315.

[9] Raftenberg M N, Jr W M, Kirby G C. Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/Al composite mixture [J]. International Journal of Impact Engineering,2008,35 (12):1 735-1 744.

[10] 烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀,葛超,董永香,等. 基于Al/ PTFE真實(shí)細(xì)觀特性統(tǒng)計(jì)模型的宏觀力學(xué)性能模擬[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2016, 33(11):2 528-2 536.

[11] 徐松林,陽(yáng)世清,徐文濤,等. PTFE/Al反應(yīng)材料的力學(xué)性能研究[J].高壓物理學(xué)報(bào), 2009, 23(5):384-388.

[12] 喬良,涂建,趙利軍,等. Al/W/PTFE粒徑級(jí)配關(guān)系對(duì)材料強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].兵器材料科學(xué)與工程, 2014(6): 17-21.

[13] 黃亨建, 黃輝, 陽(yáng)世清,等. 毀傷增強(qiáng)型破片探索研究[J]. 含能材料, 2007, 15(6):566-569.

[14] 彭飛,余道強(qiáng),陽(yáng)世清,等. 含能破片戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)研究[J]. 含能材料, 2011, 19(4):450-453.

[15] 趙宇峰,馮順山,王成龍,等.金屬添加劑對(duì)氟聚物沖擊反應(yīng)材料能量特性的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(12) : 186-189.

[16] Ames R. Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials[J]. Mrs Online Proceeding Library, 2004, 896(3): 321-333.

[17] Hunt E M, Malcolm S, Pantoya M L, et al. Impact ignition of nano and micron composite energetic materials[J]. Interna- tional Journal of Impact Engineering,2009,36(6): 842- 846.

[18] 馮彬,方向,李裕春,等. 10-2s-1壓縮應(yīng)變率下Al-Teflon的反應(yīng)現(xiàn)象[J].含能材料,2016, 24(6): 599-603.

[19] Feng B, Li Y-C, Wu S-Z, et al. A crack-induced initiation mechanism of Al-PTFE under quasi-static compression and the investigation of influencing factors[J].Materials &Design, 2016(108): 411-417.

Effect of Al Content on the Mechanical Response and Reaction Characteristic of Al-PTFE Reactive Material under Quasi-static Compression

WANG Huai-xi，F(xiàn)ANG Xiang，F(xiàn)ENG Bin，LI Yu-chun，WU jia-xiang，HUANG Jun-yi

（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing，210007）

To investigate the effect of Al content on the mechanical response and reaction property of Al-PTFE reactive material under quasi-static compression, four kinds of Al-PTFE samples with different Al contents were fabricated, and the quasi-static compression were conducted. Test results show that the aluminum content affects the mechanical response and failure mode, and then affects the reaction characteristics of the material. Specimens containing 16 wt% Al were partially reacted, and 26 wt% Al specimens reacted fully, while 36 wt% Al and 46 wt% Al specimens did not react. Opening cracks and shear cracks were found in the two types of reacted samples, while only shear cracks were observed in the unreacted samples.

Al-PTFE；Quasi-static compression；Mechanical response；Reaction characteristic

1003-1480（2017）05-0041-05

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.011

2017-07-03

王懷璽（1991 -），男，在讀博士研究生，主要從事反應(yīng)材料制備及性能研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51673213）。