三種反應(yīng)材料藥型罩對(duì)雙靶板毀傷性能實(shí)驗(yàn)研究

陶忠明，宋佳星，吳家祥，李裕春，方 向，黃駿逸

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三種反應(yīng)材料藥型罩對(duì)雙靶板毀傷性能實(shí)驗(yàn)研究

陶忠明，宋佳星，吳家祥，李裕春，方 向，黃駿逸

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

為驗(yàn)證Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Fe2O3/PTFE 3種氟基反應(yīng)材料的毀傷性能，通過模壓燒結(jié)的方法制備了3種氟基反應(yīng)藥型罩，同時(shí)進(jìn)行了破甲驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果顯示：3種氟基反應(yīng)藥型罩均能在炸藥驅(qū)動(dòng)撞擊下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并能有效貫穿第1層靶板，Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩撞擊時(shí)對(duì)靶板的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)最明顯，對(duì)第1層靶板的開孔直徑達(dá)到16cm，但未能貫穿第2層靶板；Ni/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩在貫穿第1層靶板后能有效貫穿第2層靶板，且對(duì)第2層靶板的開孔直徑達(dá)到1.5cm；3種氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第1層靶板的開孔大小依次為Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；對(duì)第2層靶板的開孔大小依次為Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。

藥型罩；反應(yīng)材料；PTFE；撞擊反應(yīng)

反應(yīng)材料又被稱為沖擊引發(fā)的含能材料，近幾年成為含能材料領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)。常見的反應(yīng)材料涵蓋了鋁熱劑、金屬間化合物、金屬-聚合物、亞穩(wěn)態(tài)金屬分子間化合物等，這類材料通常經(jīng)粉末壓實(shí)、真空燒結(jié)等工藝方法形成，具有一定的強(qiáng)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(xué)反應(yīng)，生成新的產(chǎn)物并伴隨釋放大量熱量[1-6]。

在現(xiàn)階段的制備工藝下，傳統(tǒng)的單分子含能材料（TNT、RDX等）能量密度已難以進(jìn)一步提升，相比之下，金屬燃料的燃燒焓遠(yuǎn)大于單分子含能材料，具有更高的能量密度，但其能量釋放速率和燃燒速率較低，一般只作為鋁熱劑、煙火劑使用[7]。反應(yīng)材料兼具單分子含能材料能量釋放迅速和金屬燃料能量密度高的特點(diǎn)，成為含能材料發(fā)展的一個(gè)重要新方向[8]。以Al/PTFE(鋁/聚四氟乙烯)為代表的氟基反應(yīng)材料由于其能量密度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械性能好、較易制備的特性，受到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重視并得到了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究[9]。

氟基反應(yīng)材料作為含能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的一個(gè)重要目標(biāo)是：用密度相對(duì)低的反應(yīng)材料替代彈藥中密度相對(duì)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(xué)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，或者二者兼而有之[10]。相對(duì)于傳統(tǒng)的含能材料，氟基含能反應(yīng)材料的強(qiáng)度較高[11]。故本文通過選取3種不同氟基反應(yīng)材料制備成具有一定強(qiáng)度的氟基反應(yīng)藥型罩，利用炸藥對(duì)其進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)撞靶，同時(shí)對(duì)比撞靶試驗(yàn)結(jié)果，探索3種不同氟基反應(yīng)材料對(duì)鋼靶的破甲作用過程。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及配方

鋁粉（湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，平均粒徑3~5μm）；鎳粉（上海乃歐納米科技有限公司，平均粒徑3~5μm）；氧化鐵（上海實(shí)意化學(xué)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，平均粒徑25μm）。3種氟基反應(yīng)材料的配比如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品及配方 （%）

Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

1.2 藥型罩制備

試件制備過程分3步：混藥-模壓-燒結(jié)。

混藥過程為：稱取相應(yīng)質(zhì)量比的原料置于燒杯中，加入適量無水乙醇浸沒并機(jī)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Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Fe2O3/ PTFE粉末。利用成型模具及FLS30T液壓機(jī)模壓制備固定形狀的藥型罩，如圖1所示。

3種藥型罩的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖1 模壓成型后的藥型罩

表2 3種藥型罩的相關(guān)參數(shù)

Tab.2 The related parameters of three kinds of liners

1.3 試驗(yàn)布置

圖2（a）為氟基反應(yīng)藥型罩毀傷元的裝藥結(jié)構(gòu)，主要由殼體、氟基反應(yīng)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，上層膠粘氟基反應(yīng)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(duì)藥型罩的沖擊。

試驗(yàn)采用雙靶板，靶板使用厚度為3mm的304不銹鋼板，氟基反應(yīng)藥型罩與靶板的間距為5cm，兩靶板間距5cm，采用電起爆方式。圖2（b）為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總體布置圖。

（a） 裝藥結(jié)構(gòu) (b) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總體布置

2 結(jié)果與討論

2.1 撞靶效果

點(diǎn)火后，氟基反應(yīng)藥型罩毀傷元在塑性炸藥的驅(qū)動(dòng)下高速撞擊鋼靶，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈火光，并在鋼靶上留下孔洞，反應(yīng)結(jié)束后總體毀傷效果和局部毀傷效果如圖3所示。各氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第1層靶板的穿孔孔徑大小如圖4所示。通過觀測(cè)，匯總3種氟基藥型罩毀傷元對(duì)雙靶板的毀傷效果相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖3 總體毀傷效果和局部毀傷效果

圖4 各氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第1層靶板的穿孔孔徑

表3 3種藥型罩對(duì)靶板的毀傷效果相關(guān)參數(shù)

Tab.3 The related parameters for the damage effect to the steel plates of three kinds of liners

分析圖3~4以及表3的數(shù)據(jù)可知：（1）3種氟基反應(yīng)藥型罩都成功撞擊并貫穿第1層靶板，根據(jù)撞擊時(shí)的劇烈反應(yīng)現(xiàn)象以及貫穿孔周向的黑色燒蝕痕跡，可以確定3種氟基反應(yīng)藥型罩都成功撞擊反應(yīng)。（2）1#藥型罩在成功貫穿第1層靶板后，僅在第2層靶板上留下3個(gè)微小貫穿孔；而2#藥型罩同時(shí)貫穿了兩層靶板；3#藥型罩僅貫穿第1層靶板，在第2層靶板上留下零星細(xì)微凹坑。（3）3#藥型罩對(duì)第1層靶板的貫穿效果最好，開孔直徑達(dá)到16cm；2#藥型罩對(duì)第2層靶板的貫穿效果最好，開孔直徑達(dá)到1.5cm。（4）3種氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第1層靶板的開孔大小依次為：Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；對(duì)第2層靶板的開孔大小依次為：Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。

2.2 撞靶行為分析

氟基反應(yīng)藥型罩在塑性炸藥驅(qū)動(dòng)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(xué)反應(yīng)并釋放大量熱量，同時(shí)對(duì)靶板造成貫穿和徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)。

3種氟基反應(yīng)藥型罩撞擊瞬間發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

其中：1#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值為54MPa，撞擊瞬間發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為式（1），對(duì)第1層靶板開孔效果較好（開孔直徑為8cm），對(duì)第2層靶板開孔效果一般（開孔直徑為0.2cm）；2#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值為92MPa，撞擊瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為式（2），對(duì)第1層靶板開孔效果一般（開孔直徑為4.5cm），但能有效貫穿第2層靶板（開孔直徑為1.5cm）；3#藥型罩能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值為34MPa，撞擊瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為式（1）和（3），對(duì)第1層靶板開孔效果極好（開孔直徑為16cm），但未能有效貫穿第2層靶板。

由上面分析可以看出：（1）3種氟基反應(yīng)藥型罩均能在高速撞擊下成功發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并能有效貫穿第1層靶板。（2）Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩在撞擊瞬間能同時(shí)發(fā)生氟化還原反應(yīng)以及鋁熱還原反應(yīng)，生成高溫金屬熔渣較多，導(dǎo)致藥型罩在穿靶過程對(duì)靶孔產(chǎn)生較大的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)，開孔直徑達(dá)到16cm。（3）從第2層靶板的穿孔效果來看，Al/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩經(jīng)過燒結(jié)后能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值達(dá)到54MPa，其對(duì)第2層靶板的開孔效果一般（開孔直徑為0.2cm），而Ni/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩經(jīng)過燒結(jié)后能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值達(dá)到92MPa，其對(duì)第2層靶板的穿孔效果較好（開孔直徑為1.5cm），Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩經(jīng)過燒結(jié)后能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值僅達(dá)到34MPa，其未能貫穿第2層靶板。故第2層靶板的穿孔效應(yīng)主要與氟基反應(yīng)藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值有關(guān)，藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值越大，藥型罩在貫穿第1層靶板破碎的同時(shí)仍具有一定強(qiáng)度，能保證其有效貫穿第2層靶板。Ni/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩經(jīng)過燒結(jié)后能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值達(dá)到92MPa，故其對(duì)第2層靶板穿孔效果較好，相反，Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩經(jīng)過燒結(jié)后能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值僅達(dá)到34MPa，結(jié)果其未能貫穿第2層靶板。

3 結(jié)論

本文通過選取3種不同氟基反應(yīng)材料制備成具有一定強(qiáng)度的氟基反應(yīng)藥型罩，并利用塑性炸藥對(duì)其進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)撞靶試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種氟基反應(yīng)藥型罩均能在炸藥驅(qū)動(dòng)撞擊下成功發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并能有效貫穿第1層靶板。3種氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第1層靶板的開孔大小依次為：Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；對(duì)第2層靶板的開孔大小依次為：Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩撞擊時(shí)對(duì)第1層靶板的徑向膨脹擴(kuò)孔效應(yīng)最明顯，開孔直徑達(dá)到16cm，但未能貫穿第2層靶板；而Ni/PTFE反應(yīng)材料制備的藥型罩在貫穿第1層靶板后能有效貫穿第2層靶板，且第2層靶板開孔直徑達(dá)到1.5cm。氟基反應(yīng)藥型罩對(duì)第2層靶板的貫穿效果主要取決于氟基反應(yīng)藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值，且當(dāng)氟基反應(yīng)藥型罩所能承受的最大真實(shí)應(yīng)力值越大，其對(duì)第2層靶板的貫穿效果越好。

[1] 陶忠明,方向,李裕春,馮彬,王懷璽. Al/Fe2O3/PTFE反應(yīng)材料制備及性能[J].含能材料, 2016,24(08):781-786.

[2] 陶忠明,方向,李裕春,等.PTFE基含能藥型罩制備及毀傷性能研究[J].火工品, 2016(6):13-16.

[3] Zhang X,Guan Z,Zhang J,etal. A cold energy mixture theory for the equation of state in solid and porous metal mixtures[J].Journal of Applied Physics, 2011, 110(1): 013506- 013506-10.

[4] Qiao L,Zhang X,He Y,etal. Mesoscale simulation on the shock compression behaviour of Al-W-binder granular metal mixtures[J].Materials & Design, 2013(47): 341-349.

[5] Qiao L,Zhang X F,He Y,etal. Multiscale modelling on the shock-induced chemical reactions of multifunctional energetic structural materials[J].Journal of Applied Physics, 2013, 113(17):3 513-3 521.

[6] 張先鋒,趙曉寧.多功能含能結(jié)構(gòu)材料研究進(jìn)展[J].含能材料, 2009, 17(6):731-739.

[7] 安亭,趙鳳起,肖立柏.高反應(yīng)活性納米含能材料的研究進(jìn)展[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2010, 33(3): 55-62.

[8] Joshi V S. Process for making polytetrafluoroethylene- aluminum composite and product made:US, 6547993[P]. 2003-04-15.

[9] Feng B,Fang X, Li Y C,etal. An initiation phenomenon of Al-PTFE under quasi-static compression[J].Chemical Physics Letters, 2015(637): 38-41.

[10] 葉文君,汪濤,魚銀虎.氟聚物基含能反應(yīng)材料研究進(jìn)展[J].宇航材料工藝, 2012, 42(6):19-23.

[11] 彭飛,余道強(qiáng),陽世清,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.

Research on the Damage Performance of Three Types of Reactive Material Liners on the Double Target Plate

TAO Zhong-ming，SONG Jia-xing，WU Jia-xiang，LI Yu-chun，F(xiàn)ANG Xiang，HUANG Jun-yi

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

To verify the mutilate performance of fluoropolymer-matrix reactive Al/PTFE, Ni/PTFE, Al/Fe2O3/PTFE materails, three kinds of fluoropolymer-matrix reactive liners were prepared by moulding and sintering method, sunder armor verification experiment was carried out at the same time. The results show that three fluoropolymer-matrix reactive liners can produce chemical reaction under the impact by the explosive driver, and can effectively penetrating the first level steel plate. The liner made of reactive Al/Fe2O3/PTFE material have obvious radial expansion reaming effect as impacting, and the aperture size for the first level steel plate is 16cm, but failed to penetrate the second level steel plate. The liner which was made of reactive Ni/PTFE material can effectively penetrate the second level steel plate when it has penetrated the first level steel plate, and the aperture size for the second level steel plate is 1.5cm. The aperture size caused by three kinds of fluoropolymer-matrix reactive liners for the first level steel plate from large to small is Al/Fe2O3/PTFE（3#）, Al/PTFE（1#）, Ni/PTFE（2#）, and the aperture size for the second level steel plate from large to small is Ni/PTFE（2#）, Al/PTFE（1#）, Al/Fe2O3/PTFE（3#）.

Liner；Reactive material；PTFE；Impact reaction

1003-1480（2017）04-0001-04

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.001

2017-05-11

陶忠明(1992-)，男，碩士研究生，主要從事爆破技術(shù)研究工作。

國(guó)家科學(xué)自然基金（批準(zhǔn)號(hào)：51673213）。