Al/PTFE活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和撞擊點(diǎn)火特性

李 尉，任會(huì)蘭，寧建國(guó)，劉元斌

（北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

活性材料又可稱為反應(yīng)材料或多功能含能結(jié)構(gòu)材料，該材料通常由兩種或多種非爆炸固體組成，具有一定的強(qiáng)度、硬度和質(zhì)量密度。不同于傳統(tǒng)的鋼、鎢合金等金屬破片依靠單一的動(dòng)能來(lái)打擊目標(biāo)，利用活性材料制成的反應(yīng)破片在高速撞擊穿透目標(biāo)的同時(shí)會(huì)迅速產(chǎn)生燃燒或爆炸效應(yīng)，釋放大量的化學(xué)能對(duì)目標(biāo)造成更大的毀傷。

活性材料憑借其廣闊的應(yīng)用前景吸引了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注［1-5］。要實(shí)現(xiàn)活性材料在應(yīng)用技術(shù)上的突破，就要明確材料在不同載荷條件下的反應(yīng)機(jī)理。Ames［6］和Mock 等［7-8］設(shè)計(jì)了直接撞擊、間接撞擊、兩步撞擊等多類型的沖擊加載試驗(yàn)對(duì)鋁/聚四氟乙烯（Al/PTFE）活性材料的沖擊反應(yīng)行為及引發(fā)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，高速攝影圖像顯示試件點(diǎn)火首先出現(xiàn)在強(qiáng)剪切變形區(qū)，在該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生高溫和高壓效應(yīng)。但基于一維沖擊波加載對(duì)比試驗(yàn)證實(shí)該能量并不足以使Al/PTFE 材料產(chǎn)生點(diǎn)火效應(yīng)，他們推測(cè)材料沖擊引發(fā)很可能與裂紋擴(kuò)展特性、斷裂表面能和孔洞塌陷有關(guān)。馮彬等［9-11］研究了不同鋁含量Al/PTFE 活性材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的反應(yīng)性能，結(jié)果顯示壓縮反應(yīng)后的試件截面上可以觀察到張開(kāi)型裂紋和剪切裂紋，作者推測(cè)準(zhǔn)活性材料的靜態(tài)發(fā)火與裂紋的形成有直接關(guān)系。

學(xué)者們基于分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置對(duì)活性材料的撞擊點(diǎn)火開(kāi)展了廣泛的研究。任會(huì)蘭等［12-13］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Al/W/PTFE 材料在入射桿撞擊下會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，隨著W 顆粒含量的增加，材料的反應(yīng)活性和反應(yīng)持續(xù)時(shí)間也會(huì)逐漸下降。對(duì)于W/Zr 活性材料，SHPB 撞擊試驗(yàn)表明破碎是該類金屬間化合物活性材料發(fā)生反應(yīng)的前提，破碎程度直接決定了材料反應(yīng)的體現(xiàn)形式，他們推測(cè)脆性材料的裂尖溫升是反應(yīng)的點(diǎn)火因素［14-15］。Herbold 等［16］對(duì)不同顆粒尺寸Al/W/PTFE 活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為W 顆粒的加入可以導(dǎo)致材料各組分內(nèi)能在撞擊過(guò)程中的再分布，使得較輕軟的Al 和PTFE 獲得更多的熱量，推測(cè)這對(duì)活性材料的撞擊引發(fā)至關(guān)重要。

現(xiàn)有關(guān)于活性材料的研究主要集中在材料的配方、制備工藝、力學(xué)性能、能量釋放以及應(yīng)用等方面，而關(guān)于材料點(diǎn)火機(jī)理的研究較少，雖然已有發(fā)表工作推測(cè)活性材料的點(diǎn)火與材料的變形、斷裂和破壞等因素相關(guān)，但未給出其明確的作用規(guī)律。為此，本研究通過(guò)分離式霍普金森壓桿（SHPB）對(duì)不同成型壓力所制備的Al/PTFE 活性材料進(jìn)行撞擊引發(fā)試驗(yàn)，以探究成型壓力對(duì)活性材料力學(xué)性能、速度點(diǎn)火閾值和點(diǎn)火延遲時(shí)間的作用規(guī)律，結(jié)合活性材料的微觀形貌，探究了活性材料在動(dòng)態(tài)載荷下的點(diǎn)火機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料制備

基于模壓燒結(jié)法制備Al/PTFE 活性材料，制備流程如圖1 所示［12］。首先根據(jù)活性材料的主反應(yīng)方程式4Al+3C2F4=4AlF3+6C 稱量粉體，其中Al和PTFE粉末的質(zhì)量比為26.5∶73.5，粉末粒徑分別為10 μm 和15 μm。通過(guò)V 型混粉機(jī)和電熱恒溫箱將稱量好的粉體充分混合并干燥，其中混粉時(shí)間8 h，恒溫箱溫度55 ℃。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)將活性粉體模壓成型，通過(guò)控制成型壓力（30～150 MPa）獲得不同孔隙率的材料胚體，試件的設(shè)計(jì)尺寸為φ10 mm×5 mm。

圖1 Al/PTFE 活性材料制備流程圖［12］Fig.1 Preparation process［12］

將壓制成型的胚體置于燒結(jié)爐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氣，爐膛氣壓0.2 MPa。燒結(jié)曲線如圖2所示，由于PTFE 燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)相變過(guò)程，當(dāng)溫度超過(guò)327 ℃時(shí)，大分子結(jié)構(gòu)中的晶體部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形結(jié)構(gòu)，結(jié)晶區(qū)域即完全消失；而當(dāng)溫度低于此溫度時(shí)又會(huì)復(fù)結(jié)晶，且冷卻速度越慢結(jié)晶度越大。為了保證所燒試件的力學(xué)性能，設(shè)置爐體在降溫過(guò)程中于327 ℃處保溫1 h。Al/PTFE 活性材料的參數(shù)如表1 所示，材料的體積孔隙率φ0= 1 -VS0/V0，其中VS0為試件內(nèi)密實(shí)材料的體積，V0是試件的表觀體積。

圖2 燒結(jié)曲線Fig.2 Sintering curve

表1 不同成型壓力Al/PTFE 活性材料參數(shù)Table 1 Parameters of Al/PTFE reactive materials with different molding pressures

2.2 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

采用φ14.5 mm 分離式霍普金森壓桿（SHPB）對(duì)不同成型壓力活性材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，裝置如圖3 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，高壓氣室驅(qū)動(dòng)子彈撞擊入射桿，所產(chǎn)生的應(yīng)力波在入射桿、透射桿以及試件中傳播。通過(guò)入射桿和透射桿上應(yīng)變片所采集到的應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)，可以獲得試件上的應(yīng)力和應(yīng)變的信息。

圖3 SHPB 裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of SHPB device

3 結(jié)果與討論

3.1 動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

由于Al/PTFE 活性材料的波阻抗較低，為獲取清晰明確的透射波信號(hào)，在活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為測(cè)試試驗(yàn)中采用鋁桿對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。所采用的入射桿和透射桿均為1500 mm，桿直徑為14.5 mm，子彈長(zhǎng)度為300 mm，試件尺寸為φ10 mm×5 mm。試驗(yàn)過(guò)程中采用波形整形器對(duì)入射脈沖進(jìn)行波形整形以減緩入射波上升沿，通過(guò)粘貼于入射桿和透射桿上的應(yīng)變片采集脈沖信號(hào)，如圖4 所示。

對(duì)不同成型壓力所制備的Al/PTFE 活性材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，所獲得的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。由圖5 可知，Al/PTFE 試件在動(dòng)態(tài)壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性階段和塑性硬化階段。彈性階段內(nèi)提供主要變形的是PTFE 基體，此時(shí)無(wú)論是PTFE 基體還是Al 顆粒都只發(fā)生了彈性變形。隨著載荷增加，材料進(jìn)入塑性硬化階段。PTFE 基體發(fā)生急劇變形，試件內(nèi)的孔洞被逐步壓縮，Al 顆粒相互擠壓接觸從而形成力鏈，使得試件可以承載更高的應(yīng)力。加載達(dá)到峰值載荷時(shí)，基體和顆粒發(fā)生脫粘，試件內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展、匯合，進(jìn)而形成宏觀裂紋，致使試件發(fā)生整體失效。

圖4 應(yīng)力波在SHPB 裝置中的傳播情況Fig.4 Propagation of stress wave in SHPB device

圖5 不同成型壓力所制備活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為Fig.5 Dynamic mechanical behavior of reactive materials with different molding pressures

由圖5 中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得的Al/PTFE 活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。由表2 可知，隨應(yīng)變率的提高，Al/PTFE 活性材料的破壞應(yīng)變和強(qiáng)度極限增加。成型壓力為50～150 MPa 時(shí)，活性材料的屈服強(qiáng)度和硬化模量波動(dòng)較小，未表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)。然而，當(dāng)成型壓力為30 MPa 時(shí)，由于試件內(nèi)部的顆粒和基體結(jié)合得不夠緊密且孔洞數(shù)量較多，材料在動(dòng)態(tài)載荷的作用下可以被進(jìn)一步壓實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致活性材料的硬化模量隨應(yīng)變率的提高而增加。

3.2 撞擊點(diǎn)火特性

由于鋁桿的強(qiáng)度和波阻抗均較低，難以在SHPB裝置的速度區(qū)間內(nèi)激發(fā)活性材料發(fā)生反應(yīng)。采用鋼制子彈、入射桿以及透射桿對(duì)活性材料進(jìn)行撞擊點(diǎn)火測(cè)試，以探究其撞擊點(diǎn)火特性。入射桿和透射桿的長(zhǎng)度均為1200 mm，子彈長(zhǎng)度為300 mm。試驗(yàn)中由激光測(cè)速儀獲得子彈的撞擊速度，通過(guò)高速攝影裝置記錄Al/PTFE 試件的變形、破壞直至撞擊點(diǎn)火的整個(gè)過(guò)程，高速攝影設(shè)置幀率為20000 fps。結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 Al/PTFE 活性材料的撞擊點(diǎn)火過(guò)程（成型壓力：100 MPa，撞擊速度：27.66 m·s-1）Fig.6 Impact ignition process of Al/PTFE reactive material（molding pressure：100 MPa，impact velocity：27.66 m·s-1）

由圖6 可知，Al/PTFE 試件在0～100 μs 內(nèi)發(fā)生壓縮變形；150 μs 時(shí)試件已經(jīng)發(fā)生破壞且有部分試件已經(jīng)被擠壓出壓桿邊緣；1050 μs 時(shí)試件發(fā)生撞擊點(diǎn)火反應(yīng)，產(chǎn)生明亮的火光并伴有強(qiáng)烈的爆鳴聲，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間在1500 μs 以上。高速攝影結(jié)果顯示Al/PTFE 試件在應(yīng)力波的作用下首先發(fā)生整體變形，可以通過(guò)粘貼于入射桿和透射桿上的應(yīng)變片獲得初始加載下試件內(nèi)的應(yīng)力和變形情況。然而，之后Al/PTFE 試件發(fā)生破碎、向外飛散，試件已脫離初始加載時(shí)的一維應(yīng)力均勻狀態(tài)，因此無(wú)法通過(guò)常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法獲得破壞后Al/PTFE 試件的應(yīng)力內(nèi)狀況。文獻(xiàn)［17］提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)采集到的入射波和反射波信號(hào)，初步估算了試件與入射桿接觸面的應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，該結(jié)果與錳銅計(jì)所測(cè)得的應(yīng)力信號(hào)符合良好。結(jié)合文獻(xiàn)［18］對(duì)多次應(yīng)力脈沖加載下試件應(yīng)力信息的測(cè)試方法，本研究通過(guò)透射桿上應(yīng)變片所采集到的信號(hào)獲得了試件與透射桿接觸面的應(yīng)力信息。盡管該應(yīng)力信息不是Al/PTFE 試件內(nèi)的真實(shí)受力情況，卻可以定性分析外部撞擊載荷與活性材料點(diǎn)火行為之間的關(guān)系。

分別將3.1 節(jié)中鋁桿動(dòng)態(tài)力學(xué)行為測(cè)試試驗(yàn)和本節(jié)鋼桿撞擊點(diǎn)火試驗(yàn)后的試件進(jìn)行收集。以成型壓力為80 MPa 的試件為例作對(duì)比分析，如圖7 所示。其中，1#試件為實(shí)驗(yàn)前成型壓力80 MPa 的Al/PTFE 活性材料試件形貌，2#和3#試件分別為鋁桿動(dòng)態(tài)力學(xué)行為測(cè)試試驗(yàn)和鋼桿撞擊點(diǎn)火試驗(yàn)后的試件圖像。

圖7 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)后的Al/PTFE 試件Fig.7 Al/PTFE specimens after dynamic compression

由圖7 可知，3#試件在試驗(yàn)中發(fā)生了劇烈化學(xué)反應(yīng)。2#試件在動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生了大幅軸向和徑向變形，呈現(xiàn)出了良好的延展性，Al/PTFE 試件的徑向遠(yuǎn)端在拉應(yīng)力的作用下有局部斷裂現(xiàn)象存在。3#試件表面附著有材料撞擊點(diǎn)火后的反應(yīng)產(chǎn)物，呈現(xiàn)出明亮的金屬光澤。

采用“升降法”［19］獲取Al/PTFE試件的速度點(diǎn)火閾值，即若試件發(fā)生反應(yīng)則降低子彈的撞擊速度，反之則提高子彈的撞擊速度，最后獲得可以使材料發(fā)生反應(yīng)的臨界點(diǎn)火速度，用SHPB 試驗(yàn)中子彈（φ14.5 mm×300 mm，0.39 kg）的撞擊速度表示。結(jié)果如圖8 所示，成型壓力為30～80 MPa 時(shí)，隨成型壓力的增加或孔隙率的降低，Al/PTFE 試件的速度點(diǎn)火閾值小幅提高，這與傳統(tǒng)非均質(zhì)含能材料的變化特點(diǎn)相似，即材料內(nèi)的熱點(diǎn)溫度和數(shù)量均隨孔隙率的降低而減小，從而提高了點(diǎn)火閾值［20］。成型壓力增加到100 MPa 時(shí)，Al/PTFE 活性材料的點(diǎn)火閾值發(fā)生了較大幅度的下降（由80 MPa 時(shí)的29.22 m·s-1下降到了100 MPa 時(shí)的26.60 m·s-1）。從圖5c 和圖5d 的結(jié)果可知，相同外部載荷條件下，該兩組成型壓力活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為并未發(fā)生明顯改變。分析認(rèn)為，當(dāng)成型壓力強(qiáng)100 MPa 時(shí)，Al/PTFE 的撞擊點(diǎn)火的速度閾值的下降可能與試件的孔隙率或細(xì)微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖9 為Al/PTFE 活性材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨成型壓力和撞擊速度的變化規(guī)律，其中點(diǎn)火延遲時(shí)間定義為高速攝影結(jié)果中第一次壓縮脈沖抵達(dá)試件端面至點(diǎn)火現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間間隔。圖9 表明，Al/PTFE 試件的點(diǎn)火延遲時(shí)間主要集中在600～700 μs 和1000～1100 μs內(nèi)。成型壓力較高（100～150 MPa）時(shí)，Al/PTFE 試件能夠在1000～1100 μs 時(shí)間區(qū)間內(nèi)發(fā)生點(diǎn)火，且隨子彈撞擊速度的提高，試件的點(diǎn)火延遲時(shí)間可以提高到600～700 μs 內(nèi)。對(duì)于成型壓力30～80 MPa 的Al/PTFE 試件，子彈的撞擊速度從27.76 m·s-1提高到31.97 m·s-1，材料只能在600～700 μs 內(nèi)發(fā)生點(diǎn)火現(xiàn)象。因此，進(jìn)一步推測(cè)Al/PTFE 活性材料的某些力學(xué)行為或細(xì)微觀結(jié)構(gòu)可能在成型壓力達(dá)100 MPa 時(shí)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而影響了Al/PTFE 活性材料的點(diǎn)火行為。

圖8 Al/PTFE 活性材料點(diǎn)火閾值Fig.8 Ignition threshold of Al/PTFE reactive materials

圖9 Al/PTFE 活性材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間Fig.9 Ignition delay time of Al/PTFE reactive materials

成型壓力分別為80 MPa 和100 MPa 時(shí)，Al/PTFE試件在不同撞擊速度下與透射桿接觸面的應(yīng)力如圖10 所示。圖10a 表明，應(yīng)力波對(duì)Al/PTFE 試件進(jìn)行了三次脈沖加載，第一至第三次應(yīng)力幅值依次增大。從高速攝影觀察到，第一個(gè)脈沖內(nèi)試件發(fā)生均勻變形，此階段內(nèi)的應(yīng)力-時(shí)間曲線主要體現(xiàn)了材料從初始加載到失效的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。第二次和第三次應(yīng)力脈沖的作用時(shí)間與試件的兩個(gè)點(diǎn)火延遲時(shí)間區(qū)間相對(duì)應(yīng)。對(duì)于成型壓力為100 MPa 的Al/PTFE 試件，子彈撞擊速度為26.6 m·s-1時(shí)，第三次應(yīng)力脈沖的峰值約為280 MPa，Al/PTFE 試件發(fā)生了撞擊點(diǎn)火，點(diǎn)火延遲時(shí)間為1100 μs。當(dāng)撞擊速度提高到28.97 m·s-1時(shí)，第二次應(yīng)力脈沖峰值約為263 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間提前到了650 μs。圖10b 中，成型壓力80 MPa 時(shí)，當(dāng)子彈撞擊速度高達(dá)28.26 m·s-1，第三次應(yīng)力脈沖幅值可達(dá)443 MPa 時(shí)，Al/PTFE 試件仍未能發(fā)生反應(yīng)。子彈撞擊速度提高到29.22 m·s-1，第二次應(yīng)力脈沖幅值增加到245 MPa 時(shí)，Al/PTFE 才能夠在650 μs 時(shí)發(fā)生點(diǎn)火。通過(guò)分析兩組成型壓力（80，100 MPa）Al/PTFE 點(diǎn)火特性，可以認(rèn)為Al/PTFE 的撞擊點(diǎn)火反應(yīng)不僅與加載脈沖的應(yīng)力幅值相關(guān)，還與Al/PTFE 本身的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖10 Al/PTFE 試件與透射桿接觸面的應(yīng)力情況Fig.10 Stress on the interface between Al/PTFE specimen and transmission bar

3.3 撞擊點(diǎn)火機(jī)理

采用掃描電子顯微鏡對(duì)不同成型壓力下Al/PTFE活性材料的細(xì)微觀形貌進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖11 所示，由圖11 可知，Al/PTFE 活性材料中白色的Al 顆粒廣泛分布于灰色的PTFE 基體中，基體以及基體與Al 顆粒界面處存在大量的微孔洞。當(dāng)成型壓力為30～80 MPa 時(shí)，雖然其計(jì)算所得的體積孔隙率較高（表1），但是試件內(nèi)孔洞分布較為均勻，孔洞的尺寸也較小，孔徑約為6～8 μm。當(dāng)成型壓力為100～150 MPa 時(shí)，活性材料的整體孔隙率較低，試件內(nèi)大部分區(qū)域呈現(xiàn)出與低成型壓力時(shí)相似的微觀形貌，但是材料內(nèi)孔洞分布的不均勻性提高，試件中有局部較大尺寸的孔洞存在，其孔徑約為14～16 μm。

圖11 顯示，當(dāng)成型壓力較高時(shí)（100～150 MPa），試件內(nèi)有局部大尺寸孔洞存在。該現(xiàn)象可能是由多種因素共同作用而成。首先，作為基體材料，PTFE 粉末具有極高的結(jié)晶度，當(dāng)成型壓力超過(guò)再結(jié)晶所需壓力時(shí)，粉末顆粒會(huì)產(chǎn)生冷拉伸，而在燒結(jié)過(guò)程中胚體內(nèi)部具有恢復(fù)粉體顆粒原來(lái)形狀的傾向，導(dǎo)致材料內(nèi)部微損傷的產(chǎn)生［21］。另外，當(dāng)壓制力較高時(shí)，試件內(nèi)部有可能捕捉更多的空氣，其在燒結(jié)過(guò)程中又不易釋放，也會(huì)在試件內(nèi)形成較大尺寸的空隙。同時(shí)，高成型壓力下，試件內(nèi)部會(huì)有大量殘余應(yīng)力，該殘余應(yīng)力在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中的釋放，以及Al 顆粒與PTFE 基體間熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)的差異，均會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后的試件局部出現(xiàn)較大尺寸的微損傷。

活性材料內(nèi)部的初始孔洞尺寸對(duì)其撞擊點(diǎn)火現(xiàn)象影響顯著。多次脈沖加載引發(fā)含能材料發(fā)生反應(yīng)的潛在熱點(diǎn)機(jī)理有孔洞的產(chǎn)生和再壓縮，裂紋的產(chǎn)生和匯聚及摩擦，塑性功以及剪切帶的產(chǎn)生等［22-23］。成型壓力較高時(shí)，Al/PTFE 活性材料局部存在較大尺寸孔洞（圖11），當(dāng)撞擊速度達(dá)到點(diǎn)火閾值時(shí)，試件內(nèi)的局部較大尺寸孔洞在三次應(yīng)力脈沖壓縮下，可以產(chǎn)生大幅的粘塑性變形，粘塑性功在活性材料局部能夠產(chǎn)生可觀溫升［20，24］，進(jìn)而引發(fā)試件發(fā)生反應(yīng)。另外，初始尺寸較大的微損傷處易于發(fā)生微裂紋的萌生和擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中能量的釋放和裂紋面的摩擦均有助于熱點(diǎn)形成［23，25］。因此，高成型壓力活性材料能夠在較低速度撞擊下，于第三個(gè)應(yīng)力脈沖處發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，點(diǎn)火時(shí)間為1000～1100 μs。隨著撞擊速度的提高，活性材料內(nèi)部的損傷敏化程度加劇，微損傷在高幅值的外部載荷下能夠產(chǎn)生更高的熱點(diǎn)溫升，使得試件能夠在第二個(gè)應(yīng)力脈沖作用下就可以發(fā)生點(diǎn)火，試件的點(diǎn)火時(shí)間提前到600～700 μs。成型壓力30～80 MPa 時(shí)，圖11 顯示Al/PTFE 活性材內(nèi)部微孔洞尺寸較小，當(dāng)撞擊速度較小時(shí)，微損傷的演化受限，難以在第三個(gè)脈沖處產(chǎn)生點(diǎn)火所需溫升。通過(guò)提高撞擊速度的方式，可以使微損傷在第二個(gè)應(yīng)力脈沖處就達(dá)到點(diǎn)火溫度，進(jìn)而引發(fā)活性材料發(fā)生反應(yīng)。因此低成型壓力活性材料的點(diǎn)火時(shí)間始終保持在600～700 μs 內(nèi)，且具有較高的點(diǎn)火閾值。

圖11 Al/PTFE 活性材料掃描電鏡結(jié)果Fig.11 Scanning electron microscope results of Al/PTFE reactive materials

4 結(jié)論

（1）采用模壓燒結(jié)法在不同成型壓力下制備了Al/PTFE 活性材料，基于霍普金森壓桿（SHPB）裝置對(duì)活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率為2960～5150 s-1時(shí)，活性材料在動(dòng)態(tài)載荷下呈現(xiàn)出典型的彈塑性力學(xué)行為；成型壓力為30 MPa 時(shí)，隨著應(yīng)變率增加，Al/PTFE 材料的硬化模量增加；成型壓力為50～150 MPa 時(shí)Al/PTFE 的屈服強(qiáng)度和硬化模量并未表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)。

（2）采用升降法，分析了Al/PTFE 活性材料的撞擊點(diǎn)火閾值和點(diǎn)火延遲時(shí)間隨成型壓力和載荷的變化規(guī)律；成型壓力30～80 MPa 時(shí)，活性材料的速度點(diǎn)火閾值呈現(xiàn)出傳統(tǒng)非均勻含能材料相似的特點(diǎn)，即隨著材料內(nèi)孔隙率的降低，點(diǎn)火閾值增加，其點(diǎn)火延遲時(shí)間始終在600～700 μs；成型壓力加到達(dá)100 MPa 時(shí)，Al/PTFE活性材料的速度點(diǎn)火閾值出現(xiàn)了大幅下降，隨著子彈撞擊速度的提高，材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間可以從1000～1100 μs 提前到了600～700 μs。

（3）撞擊載荷下，Al/PTFE試件內(nèi)的孔隙率和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)主導(dǎo)了其撞擊反應(yīng)特性。成型壓力超過(guò)100 MPa時(shí)，試件內(nèi)局部會(huì)出現(xiàn)較大尺寸的微孔洞，微孔洞可以在多次脈沖載荷下產(chǎn)生可觀的局部溫升，并且有助于加劇活性材料在前兩次應(yīng)力脈沖作用下的損傷敏化，從而降低了成型壓力100～150 MPa 活性材料的點(diǎn)火閾值。