吳家祥，方 向，李裕春，王懷璽，任俊凱，張 軍

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Al-Ni-PTFE反應材料的準靜壓力學響應與毀傷性能研究

吳家祥，方 向，李裕春，王懷璽，任俊凱，張 軍

（陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京，210007）

為研究Ni作為添加物對Al-PTFE反應材料力學性能及反應特性的影響，采用模壓燒結法制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準靜態(tài)壓縮實驗和毀傷打靶實驗，對Al-Ni-PTFE反應材料的準靜壓力學響應與毀傷性能進行了研究。結果表明：隨著Ni含量的增加，材料由延性轉變?yōu)榇嘈?，材料強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當Ni的體積分數(shù)為10%時，材料的應變硬化模量和壓縮強度達到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa。毀傷打靶實驗中，對于3mm鋼板，Al-PTFE的毀傷效果最好；對于10mm鋼板，Ni體積分數(shù)為10%的Al-Ni-PTFE的毀傷效果最好。在實際應用中，對于不同的毀傷目標，可針對性設計不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

反應材料；Al-Ni-PTFE；力學響應；藥型罩；毀傷效果

鋁-聚四氟乙烯(Al-PTFE)作為一種典型的反應材料[1-2]，具有能量密度高、機械性能好、穩(wěn)定性強、較易制備等特性，可將其以含能藥型罩和反應破片的形式制成具有撞擊-反應二重作用的高能戰(zhàn)斗部，在依靠自身動能侵徹目標的同時，引發(fā)爆炸、燃燒等化學反應，從而實現(xiàn)對目標的二次毀傷[3]。

Al-PTFE反應材料的強度是獲得較好應用的關鍵，為了提高材料的強度和密度，國內外學者主要研究了Al-PTFE在不同影響因素下的工程應變及加入不同添加劑后的性能變化。馮彬等[4-5]發(fā)現(xiàn)在準靜態(tài)壓縮下，經(jīng)過特殊熱處理的Al-PTFE 能夠發(fā)生劇烈反應；吳家祥等[6]研究了Al粒徑對Al-PTFE力學性能及反應特性的影響；Cai等[7]通過對PTFE-Al-W材料的力學性能開展研究，發(fā)現(xiàn)W顆粒的加入能夠有效提高Al-PTFE的強度；同時，Herbold等[8]研究了粒徑對PTFE-Al-W材料的強度、失效和沖擊性能的影響；于鐘深等[9]利用準靜態(tài)壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)在Al-PTFE中添加TiH2顆?？梢燥@著增強復合材料的強度。

之前的研究工作主要集中在Al-PTFE加入W顆粒后的性能變化上，雖然W具有極高的密度（19.3 g/cm3），但由于W不參與反應，添加至Al-PTFE中僅作為質量的載體，在材料體積分數(shù)不變條件下必然會降低材料的能量密度。Ni具有較高的密度（8.9g/cm3），并且Eakins等[10]發(fā)現(xiàn)，Ni和Al在沖擊加載下能夠發(fā)生化學反應，生成Ni-Al金屬間化合物，因此，在Al-PTFE中加入Ni顆粒，在提高材料強度和密度的同時，必定也會提高材料的能量密度，增強材料的毀傷效果。本文通過模壓燒結工藝，制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準靜態(tài)壓縮實驗和毀傷打靶實驗，對Al-Ni-PTFE反應材料的準靜壓力學響應與毀傷性能進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試件制備

材料：PTFE（平均粒徑25μm，上海三愛富新材料股份有限公司）；Al（平均粒徑1~2μm，湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司）；Ni（平均粒徑2μm，上海乃歐納米科技有限公司）。由于組分之間能夠互相反應，因此在設計配方時，以Al與PTFE的化學平衡配比為基礎，加入一定量Ni的同時，減少相應量的PTFE，利用先反應的Al-PTFE引發(fā)Ni和Al金屬間化合反應，這樣既使金屬添加劑參與了反應，同時也提高了活性材料的能量釋放速率。實驗樣品及配方如表1所示。

表1 實驗樣品及配方 (%)

Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

將稱取好的原料置于適量乙醇溶液中，機械攪拌20min后放至真空烘箱中干燥烘干，將干燥后的粉末材料置于壓制模具內，使用FLS30T液壓機壓制得到用于準靜態(tài)壓縮實驗Φ10mm×10mm的圓柱形試件；同時，再稱取適量原料壓制用于打靶實驗的球缺型藥型罩，藥型罩口徑30mm，厚度2mm。為使試件具有一定強度，需將其置于真空爐中燒結，設置升溫速率90℃·h-1，燒結溫度360℃，燒結時間6h，降溫速率50℃·h-1。打靶實驗中，利用電雷管引爆主裝藥，驅動藥型罩撞擊鋼板。圖1為反應藥型罩毀傷元裝藥結構及組件實物圖。毀傷元主要由尼龍塑料殼體、反應材料藥型罩、緩沖層以及主裝藥組成。主裝藥為壓裝均勻的C4塑膠炸藥，質量15g。

圖1 反應藥型罩毀傷元裝藥結構及組件實物圖

1.2 實驗過程

使用CMT5105微機控制電子萬能試驗機進行準靜態(tài)壓縮實驗，壓頭行進速度為6mm·min-1，對應應變率為10-2s-1，實驗環(huán)境溫度25℃。為驗證實驗結果的可靠性，對每一類試件進行3次重復性實驗，并記錄的應力應變數(shù)據(jù)。圖2為毀傷打靶實驗現(xiàn)場布置圖。

實驗所用的目標靶板為304不銹鋼板，厚度3mm和10mm，藥型罩與靶板距離為6cm，使用高速攝影儀全程記錄實驗過程。

2 結果與討論

2.1 準靜態(tài)壓縮實驗

圖3為6類試件準靜態(tài)壓縮下的真實應力應變曲線，表2為6類試件的準靜壓力學性能參數(shù)。

表2 不同配比的Al-Ni-PTFE試件準靜壓力學性能參數(shù)

Tab.2 Mechanical property parameters of Al-Ni-PTFE specimens with different ratios under quasi-static compression

由圖3、表2可以看出，隨著Ni含量的增加，材料的強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當Ni的體積分數(shù)為10%時，材料的應變硬化模量和壓縮強度達到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa，當Ni的體積分數(shù)小于30%時，材料在壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形和塑性變形，并且在屈服后發(fā)生應變硬化現(xiàn)象；當Ni的體積分數(shù)大于30%時，材料達到屈服強度后直接失效。此外，材料的失效應變隨Ni含量的增大單調減小，不加Ni時達到最大值2.04，表明隨Ni含量的增大，材料由延性轉變?yōu)榇嘈浴?/p>

2.2 毀傷打靶實驗

點火后，6類藥型罩在主裝藥的爆炸驅動下均能有效貫穿3mm的鋼板。因6類藥型罩撞擊鋼板過程相似，圖4給出了高速攝影記錄的3#藥型罩撞擊鋼板的反應過程。由圖4可以看出，藥型罩撞擊鋼板后，在其后方出現(xiàn)了明顯的反應區(qū)，這一方面說明藥型罩具備足夠的強度擊穿鋼板，另一方面說明藥型罩在爆炸加載作用下未發(fā)生反應，而是在擊穿鋼板后發(fā)生反應，這一性能表明該材料具備較高的軍事應用價值。藥型罩撞擊鋼板后發(fā)生的反應主要有：

表3為6類藥型罩撞擊3mm鋼板后的毀傷效果，圖5對比了1#和3#藥型罩對3mm鋼板的毀傷效果圖。

圖5 1#藥型罩和3#藥型罩對3mm鋼板的毀傷效果圖

表3 6類藥型罩撞擊3mm鋼板后毀傷效果

Tab.3 Damage effect of six kinds of liners impacting on 3mm steel plate

由圖5可以看出，藥型罩擊穿鋼板后背面出現(xiàn)花瓣式外折，表明該類型的反應材料藥型罩具備較好的擴孔效應，表3中6#藥型罩毀傷效果最弱，貫穿孔徑最小，僅為1.7cm，而1#藥型罩即不添加Ni的Al- PTFE反應材料毀傷效果最好，貫穿孔徑最大，可達4.9cm，說明該藥型罩擊穿鋼板時有更多的活性碎片發(fā)生反應釋放出能量。從該組實驗可以看出，隨著Ni含量的增大，材料的毀傷效果隨之減弱，結合準靜態(tài)壓縮實驗中的力學性能分析，可分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因為：對于Al-Ni-PTFE反應材料，雖然其強度高于Al-PTFE，但Ni和Al反應所需點火能量明顯高于Al和PTFE，導致Al-Ni-PTFE反應材料的感度低于Al-PTFE的感度，當3#藥型罩撞擊鋼板時，由于鋼板厚度較薄提前被擊穿，撞擊能量無法引發(fā)Ni和Al反應，致使參與反應的活性破片減少，釋放出的能量也隨之減少，因此擴孔效果不如1#藥型罩。為驗證這一結論，另設計一對比實驗，讓6類藥型罩撞擊厚度為10mm的鋼板。表4為6類藥型罩撞擊10mm鋼板后的毀傷效果，可以看出，6類藥型罩中，僅有3#藥型罩可擊穿10mm的鋼板，孔徑為1.5cm，圖6即為3#藥型罩對10mm鋼板的毀傷效果圖。分析該對比實驗可以看出，由于3#藥型罩的強度最高，可以擊穿具有較大強度的10mm鋼板，撞擊能量足以激發(fā)Ni和Al發(fā)生反應，而其余5類藥型罩因強度較低，不能擊穿鋼板。在實際應用中，對于不同的毀傷目標，可針對性設計不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

表4 6類藥型罩撞擊10mm鋼板后毀傷效果

Tab.4 Damage effect of six kinds of liners impacting on 10mm steel plate

圖6 3#藥型罩對10mm鋼板的毀傷效果圖

3 結論

本文通過模壓燒結工藝，制備了不同配比的Al-Ni-PTFE試件，通過準靜態(tài)壓縮實驗和毀傷打靶實驗，對Al-Ni-PTFE反應材料的準靜壓力學響應與毀傷性能進行了研究，結果表明：（1）在Al-PTFE中加入Ni顆粒會對材料的力學性能產(chǎn)生顯著影響。隨著Ni含量的增加，材料由延性轉變?yōu)榇嘈?，材料強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當Ni的體積分數(shù)為10%時，材料的應變硬化模量和壓縮強度達到最大，分別為51.35MPa和111.41MPa。（2）對于3mm鋼板，材料的毀傷效果隨Ni含量的增大而減弱，Al-PTFE的毀傷效果最好，貫穿孔徑可達4.9cm；對于10mm鋼板，Ni體積分數(shù)為10%的Al-Ni-PTFE的毀傷效果最好。（3）在實際應用中，對于不同的毀傷目標，可針對性設計不同配比的Al-Ni-PTFE毀傷元。

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[2] Wang H, Zheng Y, Yu Q, et al. Impact-induced initiation and energy release behavior of reactive materials[J]. Journal of Applied Physics, 2011(110): 074 904-1-074 904-6.

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Study on the Quasi-static Compression Mechanical Response and Damage Performance of Al-Ni-PTFE Reactive Materials

WU Jia-xiang, FANG Xiang, LI Yu-chun, WANG Huai-xi, REN Jun-kai, ZHANG Jun

(College of Filed Engineering, Army Engineering University, Nanjing, 210007)

To investigate the effect of Ni as additive on the mechanical properties and reaction characteristics of Al-PTFE reactive materials, Al-Ni-PTFE specimens with different equivalence ratio were prepared by mold sintering method. The quasi-static compression test and damage shooting test were carried out, to study the quasi-static compression mechanical response and damage performance of Al-Ni-PTFE reactive materials. The results show that with the increase of Ni content, the material changes from ductility to brittleness, and the strength of Al-Ni-PTFE specimens increase firstly and then decrease. When the volume fraction of Ni is 10%, the strain hardening modulus and compressive strength of the material reach the maximum, which are 51.35 MPa and 111.41 MPa, respectively. In the damage shooting test, Al-PTFE has the best damage effect for 3mm steel plate, and Al-Ni-PTFE with Ni volume fraction of 10% has the best damage effect for 10mm steel plate. In practical applications, different ratios of Al-Ni-PTFE damage elements can be designed for different damage targets.

Reactive material；Al-Ni-PTFE；Mechanical response；Liner；Damage effect

1003-1480（2019）01-0034-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.009

2018-08-21

吳家祥（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事反應材料制備及反應機理研究。

國家自然科學基金（51673213）。