高Al含量PTFE基材料爆炸沖擊壓縮特性及反應行為

王在成， 李姝妍， 姜春蘭， 蔡尚曄， 陳百權

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

聚四氟乙烯基鋁(PTFE/Al)含能材料及其應用技術是近十年來高效毀傷領域研究的熱點.PTFE/Al含能材料是一種通過冷壓、燒結等工藝制備而成的新型多功能含能材料.通常情況下處于惰性狀態(tài)，在高溫高壓、強沖擊加載等條件下會發(fā)生劇烈的化學反應并釋放大量能量.由該材料制備而成的毀傷元(破片及藥型罩等)作用目標時，除了利用機械動能貫穿毀傷目標外，還能耦合化學反應釋能增強對目標的破壞效果，從而實現(xiàn)目標的高效毀傷[1-4].

目前，國內外學者對PTFE/Al含能材料的研究多集中在材料沖擊反應和作用性能的實驗表征.李玲琴、張晶晶等[5-6]通過點火實驗、飛片撞擊實驗研究了材料配方、制備工藝對材料含能及能量輸出特性的影響. 文獻[7-11]中通過準靜態(tài)壓縮、SHPB沖擊壓縮和破片高速撞擊等方法研究了PTFE/Al含能材料在不同應變率下的力學性能、沖擊反應臨界條件和沖擊反應能量釋放特性.文獻[12-13]中通過飛片撞擊和爆炸驅動實驗研究了不同配方、粒徑的PTFE/Al含能材料在高應變率下的沖擊反應行為.文獻[14-17]中通過彈道槍加載和聚能侵徹等實驗研究了含能破片、含能射流等不同形式含能毀傷元的能量釋放特性、毀傷增強效應及其影響因素.諸多學者主要基于零氧平衡條件下的PTFE/Al(質量分數73.5%，26.5%)材料開展研究，然而與PTFE/Al(質量分數73.5%，26.5%)材料相比，當PTFE/Al材料中Al顆粒含量增加時，PTFE/Al材料密度提高、燃燒熱值更高[5]、屈服強度更大[7]，作為戰(zhàn)斗部毀傷元時，有利于提高毀傷性能.因此，結合戰(zhàn)斗部應用需求，開展高Al含量的PTFE基材料研究對增強含能毀傷元威力具有重要意義.

本文將利用炸藥透鏡產生平面波加載PTFE/Al材料，研究PTFE/Al含能材料在炸藥爆炸加載條件下的沖擊壓縮特性及反應行為.研究結果對于PTFE/Al材料的制備及工程化應用具有參考價值.

1 實驗原理與方法

1.1 實驗方法

爆炸加載實驗裝置如圖1所示，主要由雷管、炸藥透鏡、TNT炸藥、頂蓋、材料試件、錳銅壓阻傳感器、底座、連接螺栓、測試系統(tǒng)組成.炸藥透鏡外表面粘貼觸發(fā)探針，雷管引爆炸藥透鏡后，電探針導通，觸發(fā)恒流源工作，同時示波器和采集儀開始采集電壓數據.隨后，沖擊波通過錳銅壓阻傳感器，使傳感器阻值發(fā)生變化，采集的電壓數據隨之變化.根據傳感器阻值與壓力標定關系可將示波器、采集儀采集到的電壓數據轉換為測得的壓力值.實驗裝置實物如圖2所示.

圖1 平面波加載實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 實驗測試系統(tǒng)

在炸藥透鏡與待測材料間設置了頂蓋保護測試線路，以保證測試信號可靠記錄.待測材料試件直徑為55 mm，厚度小于材料直徑的1/10，以減小沖擊波在材料邊界反射對測試結果的影響.錳銅壓阻傳感器置于待測材料薄片之間，為保證傳感器與各層待測材料緊密貼合，使用螺栓連接頂蓋與底座.裝配時使傳感器敏感部位處于試件中心，降低傳感器位置誤差對實驗結果造成的影響.

錳銅壓阻傳感器電阻值與壓力轉換為

(1)

式中：p為沖擊波壓力；ΔR為傳感器電阻變化值；R0為傳感器電阻值.

1.2 實驗方案

選用粒度為10 μm的Al粉和34 μm的PTFE 粉，按照高Al含量，采用PTFE/Al(質量分數50%，50%)配方，對粉末進行原料混合、粉末體干燥.將混合后粉體倒入模具，利用壓機將其冷壓成型，成型坯料放置24 h以釋放材料內殘余應力.最后利用燒結爐對材料進行燒結制備，燒結溫度曲線如圖3所示.最終制備得到PTFE/Al材料坯體，通過機械加工得到直徑為55 mm、不同厚度的試件，PTFE/Al材料試件如圖4所示.各組實驗試件數量及厚度配置見表1.

圖3 燒結溫度-時間曲線

圖4 PTFE/Al(質量分數50%，50%)試件

表1 PTFE/Al雨果尼奧參數測試實驗方案

2 實驗結果及分析

2.1 含能材料在沖擊載荷作用下的反應行為

圖5給出了不同工況、不同位置處錳銅壓阻傳感器所測得的典型壓力-時間曲線.表2給出了各實驗工況下的壓力特征統(tǒng)計.

圖5 PTFE/Al不同位置處壓力-時間曲線

根據實驗測得沖擊波壓力時程曲線可知，沖擊波傳播到各位置處時壓力瞬間達到峰值.圖5(a)中可以看出，在位置1處，沖擊波壓力到達峰值后逐漸衰減，2 μs左右以后又出現(xiàn)較為明顯的壓力上升趨勢；在位置2、3處，沖擊波壓力衰減2 μs左右后再次出現(xiàn)上升.從圖5(b)中可以看出，在沖擊波到達峰值壓力2.0～2.5 μs后，各個位置的壓力開始回升.

表2 沖擊波壓力及是否引發(fā)含能材料反應統(tǒng)計

各記錄位置處沖擊波壓力出現(xiàn)先突躍上升后逐漸下降而后再上升的變化現(xiàn)象，可以通過PTFE/Al含能材料在爆炸加載下的沖擊反應釋能特性來解釋.圖6為沖擊波引發(fā)PTFE/Al含能材料反應過程示意圖.當爆炸沖擊波進入PTFE/Al材料后，材料首先發(fā)生壓縮變形.在壓縮區(qū)PTFE發(fā)生變形、升溫及部分熔化、分解的過程；而后在化學反應區(qū)內，Al顆粒暴露在分解的聚四氟乙烯氛圍中會與PTFE發(fā)生化學反應并釋放能量，從而引起壓力的升高.但與炸藥爆轟反應機理不同的是，沖擊波在含能材料中傳播引發(fā)Al顆粒與PTFE反應的速率遠低于炸藥中的化學反應速率.PTFE/Al含能材料的沖擊化學反應區(qū)位于壓縮區(qū)之后，且滯后于波陣面的傳播，它不能及時補償沖擊波傳播過程中的能量損失，由此產生反應延遲及壓力上升滯后于沖擊波傳播的現(xiàn)象.此外，隨著傳播距離不斷增大，沖擊波峰值壓力不斷減小，其初始沖擊能量也相應減小，導致對材料的壓縮程度降低，發(fā)生化學反應的材料占比及反應劇烈程度也下降，在一定距離后，材料化學反應將不會被激發(fā).由此可知，PTFE/Al含能材料不能形成類似炸藥爆轟的持續(xù)傳播反應.

圖6 沖擊波引發(fā)含能材料反應過程示意圖

位置1處出現(xiàn)壓力再次上升表明此處沖擊波能夠引起材料反應，而位置2、3、4處沒有出現(xiàn)壓力再次上升則表明此處沖擊波未能引發(fā)材料反應，據此確定能夠引發(fā)PTFE/Al材料反應最小沖擊波壓力的上限范圍及下限范圍.依據表2可知，位置1出現(xiàn)壓力再次上升的沖擊波最小壓力值為17.98 GPa，而位置2、3、4處沖擊波壓力小于12.19 GPa時，均未引起壓力上升.測得沖擊波壓力低于12.19 GPa且未引發(fā)材料反應的最大壓力為11.93 GPa，因此沖擊波能夠引發(fā)整體塊狀PTFE/Al(質量分數50%，50%)材料反應的壓力最小值在11.93～17.98 GPa之間.

從沖擊波加載達到壓力峰值至出現(xiàn)反應引起壓力升高之間的時間定義為反應延遲時間.根據統(tǒng)計結果可知，對于實驗所研究的塊狀PTFE/Al(質量分數50%，50%)材料，沖擊波引發(fā)的反應延遲時間在1.0～2.6 μs范圍內，且多集中于2 μs附近.

2.2 PTFE/Al含能材料雨果尼奧關系

材料的雨果尼奧曲線是不同強度沖擊波作用下材料由初態(tài)突躍到終態(tài)狀態(tài)點的連線，它的實驗測量是建立材料物態(tài)方程的依據.材料的雨果尼奧曲線可以通過測量在沖擊加載下材料中所形成的沖擊波參數來得到.表3給出了爆炸加載實驗下PTFE/Al材料中所測得的沖擊波相關參數.根據6組實驗測量數據，計算可得對應位置處質點速度及對應沖擊波波速如表3所示，

圖7給出了表3中PTFE/Al含能材料對應位置處質點速度及對應沖擊波波速數據圖.

表3 PTFE/Al材料沖擊波實驗值及相關參數

圖7 PTFE/Al含能材料Ds-up關系實驗數據

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，當粒子速度大于1.6 mm·μs-1時，得到沖擊波波速與粒子速度所對應的實驗點較為分散，導致誤差增大，故選取粒子速度小于1.6 mm·μs-1時的實驗值擬合材料沖擊波速度與波后質點速度關系式為

Ds=a+bup

(2)

得到a=2.96 mm·μs-1為材料聲速，b=1.20為材料經驗參數.已知PTFE/Al材料密度為2.425 g·cm-3.則材料雨果尼奧關系為

p=2.425(2.96+1.20up)up

(3)

相應的PTFE/Al材料雨果尼奧p-up曲線、p-ν曲線分別如圖8和圖9所示.

圖8 Al/PTFE雨果尼奧p-up曲線

圖9 Al/PTFE雨果尼奧p-ν曲線

2.3 PTFE/Al含能材料的物態(tài)方程

描述固體狀態(tài)方程的理論越精確就越復雜，采取適當方法建立實用價值高、可靠性好的半經驗高壓固體狀態(tài)方程對于相關器件的設計計算和數值仿真研究具有十分重要的實際意義.通常材料內的壓強與能量由兩部分組成，一部分與材料內粒子的熱運動無關，稱為冷能與冷壓，另一部為材料內粒子熱運動帶來的壓強與能量貢獻值[18].當材料受到沖擊壓力較小時，忽略材料內粒子的熱運動對材料狀態(tài)描述影響不大，其中使用米埃勢離子間相互作用能推導單位質量的冷能與冷壓，在較低壓強下得到的狀態(tài)方程即為穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程.而求解包含熱能與熱壓的狀態(tài)方程主要依靠格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程.以下根據沖擊波波陣面上的基本關系式(4)～(6)，通過爆炸沖擊實驗測定等溫壓縮線、沖擊壓縮雨果尼奧曲線或等熵壓縮曲線相關數據，根據理論狀態(tài)方程形式對其標定，獲得待測材料的兩種典型狀態(tài)方程.

ρ0(D-u0)=ρ(D-up)

(4)

p-p0=ρ0(D0-u0)(up-u0)

(5)

(6)

2.3.1Murnagham狀態(tài)方程的確定

根據穆爾納罕(Murnagham)固體狀態(tài)方程表達式為

(7)

式中:A=Ks0/n=ρ0C02/(4b-1)，n=4b-1，C0為材料聲速(即由實驗確定的參數a)，b為材料經驗參數.根據實驗測定結果計算可得PTFE/Al(質量分數50%，50%)材料相關參數n=3.8，A=5.59.則PTFE/Al狀態(tài)方程為

(8)

ν為材料比容，計算得到的PTFE/Al材料穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)曲線與實驗值的對比如圖10.在實驗所測試的爆炸沖擊載荷范圍內，計算值與實驗測試結果具有較好的一致性.

圖10 PTFE/Al穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)p -ν曲線

2.3.2Mie-Grüneisen狀態(tài)方程的確定

根據測試結果可知，PTFE/Al材料受到沖擊載荷加載后，延遲2 μs左右引起材料發(fā)生反應，在沖擊波到達瞬間，材料并未發(fā)生反應引起成分變化，因而在沖擊壓縮瞬間可將其視為惰性材料.根據惰性材料在高壓下的沖擊壓縮狀態(tài)方程求解辦法[18-19]，可通過PTFE/Al材料雨果尼奧關系確定材料的格林尼森系數Г(ν).

① Grüneisen系數Г(ν)的確定.

材料沖擊壓縮雨果尼奧曲線為

(9)

文獻給出Grüneisen系數Г(ν)可借助于實驗測出的雨果尼奧參數得到，利用如下公式進行：

Гs=

(10)

式中a，b為雨果尼奧關系Ds=a+bup中的擬合系數.

聯(lián)立沖擊波陣面守恒方程(4)～(6)得到材料比容ν與沖擊波速度Ds關系式(11)，代入式(10)可將Г(Ds)轉化為格林尼森系數Г(ν).

(11)

② Grüneisen狀態(tài)方程的確定.

在流體模型與諧振子模型近似下，由格林尼森(Grüneisen)物態(tài)方程與Rankin-Hugoniot能量方程得到固體狀態(tài)方程計算模型為

(12)

材料的冷能和冷壓可由Born-Meyer勢來表述，形式如下：

(13)

(14)

式中:δ=ν0/ν，為材料在溫度為0 K時的壓縮度；ν0為該條件下的材料比容；Q、q為材料常數，可由胡金彪等[20]給出的方法解得

(15)

(16)

PTFE/Al材料聲速及材料常數已通過實驗得到a=2.96 mm·μs-1，b=1.20.代入式(15)(16)可解得材料常數Q=13.237 GPa,q=6.815.

將Q、q代入式(13)(14)可得材料冷能及冷壓隨比容的變化關系.將材料冷能、冷壓與格林尼森系數Г(ν)帶入式(12)得到材料格林尼森(Grüneisen)p-ν狀態(tài)方程，PTFE/Al材料格林尼森狀態(tài)曲線計算值與實驗值如圖11所示.

圖11 PTFE/Al Grüneisen狀態(tài)曲線

利用PTFE/Al材料的穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程和格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程計算得到材料狀態(tài)參數曲線與實驗值對比如圖12所示.

圖12 PTFE/Al材料狀態(tài)方程曲線

從圖中可以看出，當沖擊壓力小于15 GPa時，兩種狀態(tài)方程對材料的描述基本一致，當沖擊壓力大于15 GPa時，兩種狀態(tài)方程對材料的描述略有差距.在實驗研究沖擊載荷范圍內，穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程和格林尼森(Grüneisen)狀態(tài)方程能較好描述材料在沖擊載荷作用下的狀態(tài).

3 結 論

利用炸藥爆炸加載手段對PTFE/Al含能材料的沖擊雨果尼奧曲線進行了系統(tǒng)地實驗測量和分析,并在此基礎上建立了材料的狀態(tài)方程.從而對材料在沖擊加載下的狀態(tài)變化行為給出了一個定量的描述.主要結論如下：

① PTFE/Al(質量分數50%，50%)含能材料在爆炸沖擊載荷作用下會引發(fā)化學反應，使材料中壓力升高.能夠引發(fā)材料反應的最小沖擊波壓力范圍在11.93～17.98 GPa之間，沖擊引發(fā)的PTFE/Al材料反應具有延遲現(xiàn)象，反應延遲時間范圍在1.0～2.6 μs之間.

② 利用實驗數據，得到PTFE/Al材料在粒子速度小于1.6 mm·μs-1時的沖擊雨果尼奧方程，P=2.425(2.96+1.20up)up.結合測定的材料沖擊壓縮雨果尼奧方程，計算了該材料的穆爾納罕(Murnagham)狀態(tài)方程、格林尼森(Grüneisen)系數Г(ν)與狀態(tài)方程，兩種狀態(tài)方程能較好描述PTFE/Al材料在爆炸沖擊載荷作用下的狀態(tài).

③ 利用炸藥透鏡和錳銅壓阻測試方法，可有效測量沖擊波在PTFE/Al材料中的傳播過程，測試數據對于爆炸沖擊波引發(fā)PTFE/Al材料反應及其沖擊壓縮關系研究具有重要意義.