王璐瑤， 蔣建偉， 李梅， 馬宇宇

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

活性合金[1]是一種可兼顧力與化學性能的新型活性材料，是當前高效毀傷材料領域的研究熱點。相對于傳統(tǒng)氟聚物類活性材料[2-5]，該類材料具有高密度、高強度、耐受高過載的特點，在彈藥領域具有廣闊工程應用前景。

近年來，國內(nèi)外學者就活性合金的力學性能展開了大量研究，結果表明該類材料具有顯著高于氟聚物活性材料的力學性能[6-8]。與此同時，一些學者針對此類材料的沖擊釋能行為開展了研究。例如：Ames[9]研究表明Zr/THV、Hf/THV的釋能量優(yōu)于同體積的AL/PTFE(Zr：鋯，THV：四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物，Hf：鉿，Al：鋁，PTFE：聚四氟乙烯)；陳偉等[10]通過實驗驗證了鎢鋯合金對油箱的爆燃能力；梁君夫[11]通過實驗驗證了同質(zhì)量活性合金比鎢合金具備更強的引爆屏蔽裝藥能力；Coverdill[12]通過微觀分析指出在爆炸加載下鎢鋯合金中的鎢也參與氧化釋能；劉曉俊[13]認為鎢鋯合金的釋能程度與鋯含量及其沖擊破碎程度相關。以上研究在一種程度上驗證了活性合金具備沖擊釋能潛力，但對活性合金在高速沖擊下的釋能行為及其影響因素的認識尚有不足。

本文設計一種采用鋯、鉿作為活性組分，通過真空燒結成型的高密度(11.4 g/cm3)、高強度(壓潰力15.6 kN)鎢鋯鉿活性合金球型(直徑9.5 mm)破片(以下簡稱破片)，應用彈道槍驅(qū)動破片以不同著速撞擊厚度6 mm的Q235鋼靶，采用高速攝影方法拍攝破片的沖擊釋能過程。通過對實驗結果進行分析，提出活性合金破片穿靶沖擊釋能的3階段模型。應用相關理論建立破片著速與穿靶后的釋能關系，得到破片能量被激活和完全釋放的臨界條件。研究結果對活性合金破片的應用和毀傷評估具有參考價值。

1 實驗設計

為研究鎢鋯鉿活性合金破片的沖擊釋能行為，設計如圖1所示的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由口徑12.7 mm彈道槍、區(qū)截測速裝置、靶板和高速攝影系統(tǒng)組成。通過調(diào)整彈道槍的發(fā)射藥量，對破片著速調(diào)控，每組速度工況進行3發(fā)重復性實驗。

圖1 實驗現(xiàn)場布置圖Fig.1 Experimental setup

1.1 實驗破片樣品

實驗所用活性合金破片的各原料粒徑和成分配比見表1，通過真空球磨、冷壓成型、脫脂和高溫真空燒結等系列工藝制備得到。為保證破片具備長儲性，在表層進行鍍鎳處理，鍍層厚度為0.1 mm. 破片直徑9.5 mm，密度11.4 g/cm3. 破片準靜態(tài)壓潰時裂紋呈軸向劈裂狀，壓潰力15.6 kN. 圖2所示為破片準靜態(tài)壓潰前后的照片。

表1 活性合金破片的組分配比

圖2 準靜態(tài)壓潰前后的活性合金破片照片F(xiàn)ig.2 Photos of W/Zr/Hf RAM fragments beforeand after quasi-static crushing

1.2 靶板

實驗靶板選用尺寸200 mm×200 mm、厚度6 mm的Q235鋼板。距鋼靶1 m處放置尺寸200 mm×200 mm、厚度1 mm的LY12鋁板作為驗證靶。

1.3 高速攝影系統(tǒng)

采用日本PHOTRON公司生產(chǎn)的FASTCAM APX RS高速攝影系統(tǒng)，設置拍攝頻率為10 000幀/s，快門速度為1/15 000 s，以破片撞靶時刻作為計時0點，記錄破片穿透靶板前后不同時刻的沖擊釋能火光區(qū)形貌。

2 實驗結果與分析

為對比活性合金和惰性金屬在高速沖擊下的行為差異，選用等質(zhì)量鎢球和實驗破片在相同著速下撞擊6 mm厚Q235鋼靶。

圖3 惰性鎢破片著速1 500 m/s時的高速攝影照片F(xiàn)ig.3 High-speed video frames of tungsten fragment impacting on Q235 target at 1 500 m/s

圖3和圖4分別為惰性金屬和活性合金撞靶火光的高速攝影照片。對比圖3和圖4可知：當惰性金屬撞靶時，火光僅出現(xiàn)在靶前；當活性合金破片撞靶時，靶后產(chǎn)生持續(xù)膨脹的橢球狀火光區(qū)，并對1 m處驗證靶具有毀傷增強能力，表明破片在靶后形成火光區(qū)實為高溫高壓毀傷區(qū)(簡稱毀傷區(qū))。故相比于惰性金屬破片，活性合金破片兼具動能侵徹和化學能耦合毀傷的能力。

從圖4可知：t=0.2 ms時，靶前(左側(cè))火光消失，表明破片靶前無活性能耗；t>0 ms后，靶后(右側(cè))出現(xiàn)逐漸膨脹的毀傷區(qū)；t=0.8 ms時，毀傷區(qū)右端出現(xiàn)速度遠高于其整體速度的粗火線；t=1.3 ms時，毀傷區(qū)左端開始湮滅，但毀傷區(qū)右端和二次激活產(chǎn)生的粗火線對驗證靶仍具有毀傷增強效應。

圖5分別為活性合金破片以619 m/s、836 m/s和1 435 m/s著速v撞擊鋼靶時的入孔和出孔照片。由圖5可以看出：穿孔周圍無熏黑痕跡，表明此破片在靶前無活性能耗；當著速為836 m/s時入孔呈翻邊狀，出孔呈韌性破壞模式，孔徑1.06D(D為破片直徑)；當著速為1 435 m/s時，出孔呈現(xiàn)崩落的環(huán)帶狀，孔徑1.445D. 此破片對鋼靶的穿孔模式、孔徑尺寸與惰性破片相近。

圖5 典型鋼靶穿孔圖片[14]Fig.5 Photos of typical target perforation[14]

毀傷區(qū)在逐漸膨脹至湮滅前，其容積存在最大值(見圖4)。為建立毀傷區(qū)最大容積與破片著速間的關系，圖6給出了破片在不同著速下靶后最大毀傷容積的高速攝影照片。

圖6 靶后最大毀傷區(qū)高速攝影照片F(xiàn)ig.6 High-speed video frames of maximum damage area

從圖6中可知：當著速為619 m/s時破片未能穿透靶板，撞靶16 ms后靶前出現(xiàn)微弱火光；當著速為836 m/s時破片穿透鋼靶但未形成毀傷區(qū)；當著速大于936 m/s時，最大毀傷區(qū)容積隨著速度的增加而逐漸增大；當著速大于1 300 m/s時，最大毀傷區(qū)容積趨于穩(wěn)定。

3 沖擊釋能行為討論

文獻[15]對氟聚物類活性材料沖擊釋能行為研究顯示：其在靶前存在大量活性能耗，靶后火光區(qū)呈噴射狀不規(guī)則錐形，釋能時間約10.0 ms；而鎢鋯鉿活性合金破片沖擊釋能實驗顯示：靶前幾乎無活性能耗，靶后火光區(qū)呈橢球狀，釋能時間約為1.0 ms.

綜上所述可見，氟聚物沖擊釋能行為的研究結論并不完全適用于活性合金類材料。基于圖3中不同時刻下破片靶后的毀傷區(qū)形貌，將其沖擊釋能行為按照其特征分為3個階段：沖擊激活階段(t≤0.1 ms)、自蔓延釋能階段(t為0.1～0.7 ms)、二次自激活階段(t≥0.8 ms)?，F(xiàn)對3個階段進行定性分析，以獲得破片能量激活閾值，建立毀傷區(qū)容積與著速的關系。

3.1 沖擊激活階段

沖擊激活階段是指破片在外界沖擊達到反應閾值時，活性組分被激活實現(xiàn)化學能釋放的過程。

已知破片中的活性組分鋯、鉿在常溫下表層產(chǎn)生氧化膜，500 ℃時氧化膜在熱應力作用下碎裂，內(nèi)部活性組分將與氧氣發(fā)生劇烈反應。故破片被沖擊激活的充分條件為：高速撞擊過程中破片發(fā)生破碎，活性組分與氧氣接觸；沖擊溫升高于500 ℃[16].

3.1.1 破片碎裂行為分析

球形破片撞擊平面靶板時，應力波傳播行為十分復雜。為定性分析，忽略破片內(nèi)橫波效應，將具有非平面波陣面的彈性波和塑性波簡化為沖擊波[17-18]。圖7所示為破片撞擊靶板瞬間的沖擊波示意圖。

圖7 破片撞擊靶板瞬間沖擊波示意圖Fig.7 Schematic diagram of instantaneous shock wave of fragment penetrating into a target

由圖7可見：撞靶瞬間破片和靶板內(nèi)分別產(chǎn)生1個大小相等、方向相反的入射壓縮波Rf和Rt. 在Rf運動至自由面、產(chǎn)生卸載拉伸波Ff之前，破片與靶板接觸面上滿足物質(zhì)連續(xù)和壓力相等的邊界條件，撞擊瞬間的沖擊壓力值滿足(1)式：

(1)

式中：ust和usf分別為靶板和破片內(nèi)沖擊波陣面速度；upt、upf分別為靶板和破片內(nèi)粒子速度；pt和pf分別為靶板和破片的初始沖擊壓力；ct和cf分別為靶板和破片的材料聲速；St和Sf分別為靶板和破片的特征參數(shù)；ρt和ρf分別為靶板和破片的密度。由質(zhì)量平均插值法[19]求得，cf=3 850 m/s，Sf=3.79.

結合靶板的破壞模式(見圖5)和毀傷區(qū)最大容積時靶后傷區(qū)形貌(見圖6)，對破片碎裂行為進行分析。圖8為典型著靶速度下破片碎裂行為的示意圖。

圖8 破片靶后碎裂狀態(tài)示意圖Fig.8 Schematic diagram of fracturing state of fragments is after impacting the target

當破片著速為619 m/s(pf=12.96 GPa)時，破片未能貫穿靶板(見圖5)且靶前出現(xiàn)微弱火光(見圖6)，其碎裂狀態(tài)如圖8(a)所示。分析認為：球形破片自由面處的反射拉伸波未能在初始沖擊波到達后端自由面前對其完全卸載，拉伸波造成了破片后端碎裂。靶板內(nèi)沖擊波在自由面產(chǎn)生卸載波，破片前端在多次卸載波作用下進入塑性區(qū)形成殘余侵徹體。其中碎裂顆粒在空氣中發(fā)生氧化反應，殘余侵徹體在表面氧化后反應終止，表現(xiàn)為微弱火光。此時破片處于未激活狀態(tài)。

當破片著速為836 m/s(pf=18.6 GPa)時，破片雖貫穿靶板(見圖5)但靶后未形成橢球狀毀傷區(qū)(見圖6)，其碎裂狀態(tài)如圖8(b)所示。分析認為：破片在此沖擊壓力下足以貫穿靶板，在穿靶過程中受到系列沖擊波和拉伸波的耦合作用，變成塑性區(qū)和碎裂顆粒的組合。當破片著速為836 m/s時，靶后碎裂程度極低，塑性殘余侵徹體在飛行過程中僅表層與氧氣接觸并反應，表現(xiàn)為尺寸與破片直徑相當?shù)墓恻c。此時破片處于未激活狀態(tài)。

當破片著速為936～1 224 m/s(20.3 GPa≤pf≤30.07 GPa)時，破片貫穿靶板(見圖5)，靶后最大毀傷區(qū)尺寸不盡相同(見圖6)，其碎裂狀態(tài)如圖8(b)所示。分析認為：隨著沖擊壓力的增加，破片碎裂程度增加，殘余侵徹體質(zhì)量下降。破片顆粒在飛行過程中與氧氣發(fā)生劇烈反應，形成毀傷區(qū)。此時破片處于部分激活狀態(tài)。

當破片著速分別為1 300 m/s和1 435 m/s(pf≥32.39 GPa)時，破片貫穿靶板(見圖5)，靶后最大毀傷區(qū)尺寸相近(見圖6)，其碎裂程度如圖8(c)所示。分析認為：此沖擊壓力下破片在初始沖擊壓力或沖擊壓縮波與卸載拉伸波的耦合作用下發(fā)生完全碎裂，破片顆粒與氧氣發(fā)生劇烈反應，形成毀傷區(qū)。此時破片處于完全激活狀態(tài)。

根據(jù)實驗結果分析得到：破片在靶后發(fā)生碎裂的壓力閾值為20.3 GPa，破片完全碎裂的壓力閾值為32.39 GPa.

3.1.2 沖擊溫升分析

假設破片沖擊壓縮過程滿足Rankine-Hugoniot關系[19]：

(2)

式中：vf為初始狀態(tài)下破片的比體積；p′f、v′f和ρ′f分別為受沖擊后破片的壓力、比體積和密度。

建立等容路徑下隨比容變化的微分表達式為

(3)

式中：C和γ為破片特征參數(shù)；Vfi和Vf分別為破片初始和撞擊過后的比容；

T=Ta+Tb+Tc，

(4)

(5)

Ti為沖擊前破片溫度，T為沖擊壓力為p′f時對應的沖擊Hugoniot曲線上的溫度，Ta、Tb、Tc是求解(3)式所得T的三項可加和，γG為破片的Gruneisen常數(shù)。

基于MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件，得到溫度T≥500 ℃時對應的瞬間沖擊壓力pf≥19.4 GPa.

考慮到破片在沖擊過程中被激活的充分條件為：滿足破片撞靶后碎裂或沖擊溫升達到500 ℃，故得到破片的沖擊激活閾值為19.4 GPa，完全激活閾值為32.39 GPa.

3.2 自蔓延釋能階段

自蔓延釋能階段是指破片在貫穿靶板后，毀傷區(qū)尺寸逐漸膨脹至后端湮滅的過程。在此過程中，破片的活性能量伴隨著毀傷區(qū)整體運動，逐漸釋放在靶后不同位置。

基于實驗結果與前人對球形破片高速撞靶后產(chǎn)生的碎片云形貌研究結論[20]，定義毀傷區(qū)成分如圖9所示:毀傷區(qū)呈橢球狀，且碎片顆粒多集中于右端，其中靶板碎片位于毀傷區(qū)外邊緣，在高速攝影照片中不發(fā)光，破片顆粒位于毀傷區(qū)內(nèi)部。圖9中，針對毀傷區(qū)參數(shù)進行定義：vca為前端軸向速度；vcb為后端軸向速度；ve為徑向膨脹速度；La為短軸尺寸；Lb為長軸尺寸；L為有效毀傷距離，即毀傷區(qū)容積最大時，毀傷區(qū)中心距鋼靶的間距。

圖9 鎢鋯鉿活性合金破片靶后碎片云區(qū)示意圖Fig.9 Illustration of W/Zr/Hf RAM fragment’s debris cloud

飛行過程中顆粒與空氣的摩擦作用使得ve降低，毀傷區(qū)容積達到最大值后，區(qū)域呈湮滅趨勢。對毀傷區(qū)前端取徑向切片，構建出如圖9所示的自蔓延燃燒模型。根據(jù)破片顆粒的反應狀態(tài)，將其劃分為已燃區(qū)、燃燒區(qū)和預熱區(qū)。其中：

已燃區(qū)位于內(nèi)外兩側(cè)，與空氣接觸面積大，碎裂顆粒已完全氧化釋能，視野內(nèi)光亮度低。

燃燒區(qū)內(nèi)碎裂顆粒處于氧化反應狀態(tài)。破片顆粒尺寸較小時，具有更大的比表面積和更小的比熱容量。在熱輻射作用下，小顆粒率先進入氧化反應狀態(tài)，并在顆粒表面形成氣體與固體燃燒體系并對外界輻射熱量。大顆粒在吸收足夠熱量后發(fā)生氧化燃燒反應，且由于其攜帶更多活性組分而具備更長的燃燒時間，保證燃燒區(qū)可持續(xù)向預熱區(qū)進行熱量的傳導與輻射。

圖10 毀傷區(qū)最大容積及有效毀傷距離與著速的關系Fig.10 Relationship among the volume of maximum flaming region, the distance behind the target and the impact velocity of fragment

預熱區(qū)位于云區(qū)最內(nèi)側(cè)，由碎裂顆粒和殘余侵徹體組成，與氧氣接觸面積最小。在受到燃燒區(qū)足量的熱輻射后，此區(qū)域內(nèi)的顆粒才能進一步反應。

由圖10可知，pf≥19.4 GPa時破片處于激活態(tài)。在破片活性能量完全釋放前，伴隨破片著速的增加，最大毀傷區(qū)容積呈指數(shù)增長趨勢，最大火光區(qū)靶后距離呈線性增長趨勢。當破片著速大于1 300 m/s時，火光區(qū)容積為8.95 L，靶后有效毀傷距離為475 mm.

3.3 自激活階段

自激活階段是指毀傷區(qū)內(nèi)未達到反應閾值的殘余侵徹體，在無外界沖擊作用下，自激活并進一步釋放能量的過程。

從圖4高速攝影照片可知，t=0.8 ms時毀傷區(qū)前端出現(xiàn)了速度遠高于區(qū)域整體速度且方向不定的粗火線。分析認為：殘余侵徹體在毀傷區(qū)內(nèi)長期處于熱量輻射狀態(tài)，表層氧化膜熱膨脹系數(shù)9.6×10-6K-1低于內(nèi)部鋯鉿的熱膨脹系數(shù)1.74×10-5K-1[16]，因此在熱應力作用下發(fā)生二次碎裂。根據(jù)能量守恒原則，二次碎裂顆粒速度遠高于殘余侵徹體速度，且顆粒在高溫、氧氣富足環(huán)境下被迅速激活與氧發(fā)生劇烈反應，實現(xiàn)破片的二次自激活狀態(tài)。

4 結論

本文通過彈道槍驅(qū)動高強度(壓潰力15.6 kN)、高密度(11.4 g/cm3)的鎢鋯鉿活性合金破片以不同速度撞擊6 mm厚Q235鋼靶，對其沖擊釋能行為進行了實驗和理論分析。得出主要結論如下：

1)活性合金類材料具備類似惰性材料的動能毀傷能力，靶前活性能耗小，活性能量集中于靶后釋放，且在激活后1.0 ms量級內(nèi)完全釋放。

2)鎢鋯鉿活性合金破片的沖擊釋能行為按時序可分為3個階段：沖擊激活階段、自蔓延釋能階段和自激活階段。沖擊激活階段中，破片能量被激活的臨界壓力為19.4 GPa，被完全激活的臨界壓力為32.39 GPa.

3)著靶速度提高時，破片靶后毀傷區(qū)的最大容積和有效毀傷距離呈現(xiàn)指數(shù)、線性增長趨勢。破片被完全激活時，毀傷區(qū)最大容積為8.95 L，有效毀傷距離為475 mm.