Al粒徑對富鋁聚四氟乙烯基鋁活性材料沖擊反應性能的影響

胡榕， 姜春蘭， 毛亮， 祁宇軒， 蔡尚曄， 胡萬翔

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081;2.中國北方車輛研究所， 北京 100072; 3.江蘇曙光光電有限公司, 江蘇 揚州 225009)

0 引言

聚四氟乙烯基鋁(PTFE/Al)活性材料是一種典型的沖擊反應活性材料，這類材料通常表現(xiàn)為惰性，但是在強沖擊載荷作用下，聚四氟乙烯(PTFE)與Al之間會發(fā)生劇烈的氧化還原反應，形成類爆轟現(xiàn)象，釋放出大量能量。因此，當活性材料毀傷元作用目標時，不僅具有傳統(tǒng)的動能毀傷模式，還可在侵靶過程中發(fā)生劇烈反應，產(chǎn)生動能和化學能雙重毀傷，使毀傷元的綜合威力獲得大幅度的提升[1-3]。同時PTFE/Al活性材料較易制備[4-5]，強度較高[6]，具有良好的應用前景。

PTFE/Al活性材料作為一種復合材料，其制備工藝、組分配比和粒徑等原材料差異對材料的力學性能及反應特性影響顯著。金屬 Al顆粒作為 PTFE/Al活性材料的關(guān)鍵組分，在一定程度上決定了 PTFE/Al活性材料的反應特性和力學性能，而金屬顆粒的粒徑是一個重要參數(shù)，當金屬顆粒的粒徑不同時，其物理、化學性質(zhì)可能有很大差別。

Osborne等[7]通過差示掃描量熱法和熱重分析法研究Al粒徑對PTFE/Al熱分解過程的影響，實驗結(jié)果表明Al粒徑影響著材料的點火機理。Mock等[8]使用氫氣炮研究Al粒徑對于PTFE/Al桿沖擊引發(fā)特性的影響，結(jié)果表明當Al粒徑不同時，PTFE/Al桿的沖擊引發(fā)閾值與引發(fā)時間均會隨之發(fā)生變化。周杰等[9-10]通過準靜態(tài)壓縮實驗和準密閉容器沖擊釋能實驗，結(jié)合材料的準靜態(tài)力學性能初步分析了Al粒徑對活性材料的沖擊反應釋能特性的影響規(guī)律。Feng等[11-13]對不同粒徑的PTFE/Al材料在中低應變率下的力學性能及反應情況進行研究，根據(jù)實驗現(xiàn)象提出了 PTFE/Al材料的裂紋尖端形成熱點的點火機理。Tang等[14]和烏布力艾散等[15]采用有限元方法從微觀角度研究了 Al粒徑及分布特征對 Al/PTFE 材料力學性能的影響。

本文采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置對不同Al粒徑的富鋁PTFE/Al活性材料試件進行加載，并通過高速攝像機拍攝沖擊過程，通過分析實驗曲線及高速攝像圖片，探究Al粒徑對于富鋁PTFE/Al活性材料在不同應變率加載下的沖擊反應特性的影響。開展此項研究有助于深刻了解PTFE/Al的沖擊反應機理，對PTFE/Al活性材料的工程應用具有一定的指導意義。

1 實驗設(shè)計

1.1 材料制備

本文將PTFE和Al的質(zhì)量配比固定為50%∶50%，采用模壓燒結(jié)成型法制備PTFE/Al活性材料。其中鋁粉的平均粒徑分別為50 nm、10 μm、70 μm和200 μm，納米鋁粉活性鋁含量在70%左右，微米鋁粉活性鋁含量在99%以上，鋁粉純度均在99.9%以上。

以少量無水乙醇為介質(zhì)，將Al粉和PTFE粉末在混料機中濕混10 h，使各組分混合均勻。然后進行24 h真空干燥，干燥后采用單軸冷壓方式將活性粉體模壓成型并將壓坯自然放置24 h，以消除內(nèi)部氣體及殘余應力。然后將壓坯置于燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度歷時曲線如圖1所示，為了保證所燒結(jié)試件的力學性能，設(shè)置爐體在降溫過程中于315 ℃處保溫4 h.

圖1 燒結(jié)歷程曲線Fig.1 Sintering curve

1.2 SHPB動態(tài)沖擊實驗

采用SHPB測試系統(tǒng)對包含不同Al粒徑的PTFE/Al活性材料進行動態(tài)壓縮實驗，實驗測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由發(fā)射裝置、壓桿系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中壓桿系統(tǒng)包括撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿。同時，在測試系統(tǒng)中加入高速攝像機，記錄試樣在沖擊壓縮載荷下的變形、失效及沖擊引發(fā)化學反應的過程。

圖2 SHPB實驗系統(tǒng)Fig.2 Split-Hopkinson pressure bar test system

實驗中使用鋼桿進行動態(tài)加載，所采用的入射桿和透射桿長度均為1 200 mm，桿直徑為16 mm，撞擊桿長度為200 mm，試件尺寸為φ8 mm×5 mm，試件如圖3所示。相比于傳統(tǒng)金屬及合金材料，PTFE/Al活性材料的力學強度及機械阻抗較低，為避免材料在壓縮過程中應力不均勻，使用真空硅脂將直徑8 mm的銅版紙圓片粘貼在入射桿前端作為波形整形器，以減緩入射脈沖的上升沿并減弱信號的彌散效應。

圖3 PTFE/Al活性材料試件Fig.3 PTFE/Al specimens with different Al particle sizes

采用高速攝像技術(shù)記錄了不同Al粒徑的PTFE/Al試件在不同應變率加載下壓縮變形、碎裂及點火反應的過程，拍攝幀頻為30 000幀/s. 考慮到反應釋放能量，發(fā)出明亮的火光，因此對高速攝像機照片進行處理，將其濾去虛光后轉(zhuǎn)換為灰度圖[16]，如圖4所示。以各照片中所有像素點的灰度值之和，即反應亮度，表征反應激烈程度，統(tǒng)計反應亮度與時間的關(guān)系。高速攝像機照片分辨率為256像素×320像素。

圖4 高速攝像機照片處理示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed photography image processing

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 加載應變率對PTFE/Al活性材料沖擊反應性能的影響

PTFE/Al活性材料需要在一定的沖擊加載條件下才能激發(fā)反應，釋放出能量，因此，探究了加載應變率對PTFE/Al活性材料沖擊反應性能的影響規(guī)律。以初始撞擊時為0 μs時刻，圖像中亮度降為最大亮度的10% 時為反應結(jié)束點。反應延遲時間定義為從0 μs至點火現(xiàn)象出現(xiàn)的時間間隔，反應持續(xù)時間定義為從點火現(xiàn)象出現(xiàn)至反應結(jié)束點的時間間隔。

表1給出了發(fā)生反應的兩種Al粒徑PTFE/Al活性材料在不同應變率下的沖擊反應數(shù)據(jù)。圖5為不同應變率加載下兩種粒徑PTFE/Al活性材料的 反應亮度- 時間曲線。不同應變率加載時，反應亮度曲線的峰值均在2×107左右，這是因為在峰值時刻反應非常劇烈，高速攝像機拍攝到的整幅圖像基本呈現(xiàn)為明亮的白色，像素點灰度值大多為255. 圖6和圖7分別為Al粒徑50 nm和10 μm的PTFE/Al活性材料在不同應變率加載下的沖擊反應過程。粒徑為70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料未能在此應變率下(3 000～5 000 s-1)發(fā)生反應。

表1 不同Al粒徑PTFE/Al活性材料沖擊反應 實驗結(jié)果Tab.1 Test results of PTFE/Al materials with different Al particle sizes

圖5 不同應變率加載下材料反應亮度- 時間曲線Fig.5 Brightness-time curves at different strain rates

圖5(a)中， Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料，材料的反應延遲時間隨著應變率的增加逐漸降低。當加載應變率為4 534 s-1和5 076 s-1時，活性材料均在858 μs時刻第1次拍攝到反應火光，但這是受拍攝幀率限制，相鄰兩張圖像的拍攝間隔較大，為33 μs. 可由圖6火光范圍推測應變率為5 076 s-1時，活性材料發(fā)生反應早于應變率為4 534 s-1時。隨著應變率的增加，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料反應延遲時間不斷降低，火光的亮度不斷提高，反應持續(xù)時間不斷增加，能量釋放不斷提升。從火光明亮程度和反應持續(xù)時間來看，Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料整體能量釋放遠遠高于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料。

Al粒徑為50 nm和Al粒徑為10 μm的 PTFE/Al活性材料的反應延遲時間均隨著應變率的提高而逐漸降低。對于同一材料而言，材料的臨界反應能量一定，應變率的提高意味著單位時間內(nèi)試件發(fā)生的應變增加，能量沉積到臨界反應能量的時間減少，反應延遲時間逐漸降低。

但反應持續(xù)時間隨應變率的變化規(guī)律并不一致。粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料反應相對充分很多，在較低應變率加載時材料即可發(fā)生劇烈反應。當加載應變率提高時，亮度曲線更快達到峰值，迅速發(fā)生充分反應，反應的傳播速率隨著加載應變率的提高而提高。圖5(a)中，當加載應變率為3 537 s-1時，材料反應持續(xù)時間相當長，在飛散的活性材料碎片中也發(fā)生了充分的反應，這可能是因為納米鋁粉的團聚導致該PTFE/Al活性材料試件中材料混合較不均勻。隨著應變率增加，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料反應持續(xù)時間逐漸增加，這是因為在Al粒徑為10 μm的活性材料中，材料的反應并不完全。觀察圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，在反應火光消失時沖擊桿周圍仍然存在較多的PTFE/Al活性材料碎屑未參與反應。隨著應變率的提高，分散在沖擊桿周圍的PTFE/Al碎屑逐漸減少，參與反應的PTFE/Al活性材料質(zhì)量隨著應變率的提高逐漸增加，由此火光亮度和持續(xù)時間也隨之增加。

2.2 Al粒徑對PTFE/Al活性材料沖擊反應性能的影響

圖8為Al粒徑分別為50 nm和10 μm的PTFE/Al活性材料在相似應變率加載下沖擊反應過程的亮度- 時間曲線。圖9～圖11分別為Al粒徑50 nm、10 μm、70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料在相似應變率加載下的沖擊過程。

圖6 Al粒徑50 nm PTFE/Al試件在不同應變率下沖擊反應過程Fig.6 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-50 nm specimen at different strain rates

圖7 Al粒徑10 μm PTFE/Al試件在不同應變率下沖擊反應過程Fig.7 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-10 μm specimen at different strain rates

圖8 PTFE/Al活性材料的反應亮度曲線Fig.8 Brightness-time curve of PTFE/Al shock induced reaction

當Al粒徑為納米級別時，PTFE/Al活性材料相對更容易激發(fā)。試件從0 μs開始受到強烈壓縮，發(fā)生變形，內(nèi)部裂紋迅速拓展，材料發(fā)生失效并有大量的碎屑飛散，隨著試件被進一步壓縮，化學反應被激發(fā)并迅速傳播，火光明亮且持續(xù)相對較長時間，反應持續(xù)時間達到了1.3 ms左右。

Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件在沖擊下的現(xiàn)象與Al粒徑為50 nm時相似。對比Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件的反應延遲時間更長，且Al粒徑為10 μm的PTFE/Al試件的反應持續(xù)時間與反應釋放的能量明顯低于Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件，當火光消失時，圖像顯示仍有大量的破碎的活性材料剩余，這些部分并沒有參與到整體反應中去。而Al粒徑為50 nm的PTFE/Al試件相對反應得更加完全，在反應結(jié)束時無材料剩余。

圖9 Al粒徑50 nm PTFE/Al試件在4 534 s-1應變率下沖擊反應過程Fig.9 Shock-induced reaction process of PTFE/Al-50 nm specimen at strain rate of 4 534 s-1

圖10 Al粒徑10 μm PTFE/Al試件在4 453 s-1應變率下沖擊反應過程Fig.10 Shock-induced reaction process of PTFE/Al-10 μm specimen at strain rate of 4 453 s-1

圖11 Al粒徑70 μm和200 μm PTFE/Al試件沖擊反應過程Fig.11 Shock-induced reaction processes of PTFE/Al-70 μm and PTFE/Al-200 μm specimens

圖8中Al顆粒為50 nm的PTFE/Al活性材料峰值處亮度約為粒徑為10 μm的活性材料峰值亮度的3.7倍，亮度面積約為4.7倍。從圖9中反應持續(xù)時間與反應產(chǎn)生的火光強度都可以看出納米Al顆粒的PTFE/Al活性材料反應程度遠高于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料。

考慮到在SHPB加載過程中，反射的拉伸波會在入射桿撞擊端再反射形成壓縮波，由此對試件進行多次脈沖加載[17-18]。因此，使用實驗中透射桿的應變數(shù)據(jù)計算試件的應力時程曲線[19]。受采樣時間所限，曲線中僅體現(xiàn)出兩次脈沖加載過程，兩種不同粒徑試件的應力脈沖加載曲線如圖12所示。將高速攝像機拍攝到的圖像與脈沖曲線取相同的零時刻，觀察圖像。在第1次脈沖結(jié)束時，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料宏觀表現(xiàn)為變形和鐓粗，并未發(fā)生失效破碎；而Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料已經(jīng)發(fā)生失效，開始破碎。在第2次脈沖加載中，Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料破碎飛散；Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料出現(xiàn)兩個小火光點，發(fā)生點火現(xiàn)象，但反應未傳播開，火光隨后消失。

圖12 PTFE/Al試件與透射桿接觸面的應力脈沖曲線Fig.12 Stress-time curve on the interface between specimen and transmission bar

含有納米Al顆粒和微米Al顆粒的PTFE/Al試件在相似應變率加載下沖擊反應行為出現(xiàn)明顯差異主要是由于納米Al顆粒與微米Al顆粒的點火機理上存著差異[20]。對于微米粒徑的Al顆粒，通常認為當Al顆粒表面的致密氧化鋁殼受熱融化后，或者由于內(nèi)部活性Al融化產(chǎn)生內(nèi)外壓差導致氧化鋁殼破碎之后，內(nèi)部的活性Al釋出與外界發(fā)生反應，根據(jù)熱化學反應結(jié)果[21]，其點火溫度通常在900 ℃以上。當Al粒徑減小到50 nm時，包覆在Al顆粒表面的氧化鋁活性變高，可以與PTFE的分解產(chǎn)物發(fā)生氟化反應，相對于微米Al顆粒而言，納米Al顆?？梢栽诟偷臏囟葪l件(500 ℃左右)下發(fā)生點火反應。這也意味著Al粒徑為納米級時，PTFE/Al活性材料的反應更容易激發(fā)與擴散，而微米Al粒徑PTFE/Al活性材料的反應更難激發(fā)與自持。因此納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料反應延遲時間短，反應持續(xù)時間較長；微米Al粒徑的PTFE/Al活性材料反應延遲時間長，反應持續(xù)時間短，火光也相對暗淡。

由于納米Al極易團聚，基體可能無法較好地包裹納米Al顆粒，這使得試件中存在孔隙及脫粘等缺陷，在沖擊壓縮反應中容易產(chǎn)生熱點，由此更容易激發(fā)材料的反應[22]。因此，Al粒徑為50 nm的PTFE/Al活性材料在SHPB加載過程中承受的應力脈沖幅值低于Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料，但由于其較差的力學性能及較低的反應閾值，材料在第1次脈沖后發(fā)生破碎，而在第2次脈沖中點火；Al粒徑為10 μm的PTFE/Al活性材料在第2次脈沖中僅發(fā)生破碎。

Al粒徑為70 μm和200 μm的PTFE/Al活性材料在5 000 s-1左右應變率的沖擊加載下，僅發(fā)生材料的失效破碎，無法激發(fā)反應，這說明Al粒徑增大時，可能需要更高的加載應變率才可激發(fā)其沖擊反應。

3 結(jié)論

本文研究了4種Al粒徑的PTFE/Al活性材料在SHPB加載下的沖擊反應特性，分析了Al粒徑在不同應變率加載下對PTFE/Al沖擊反應特性的影響規(guī)律。其主要結(jié)論如下：

1)隨著加載應變率的增加，PTFE/Al活性材料反應延遲時間降低，反應更加激烈。Al粒徑為微米時，提高應變率，材料反應更加充分，反應持續(xù)時間增加；但Al粒徑為50 nm時，提高加載應變率，反應速度大大提升，反應持續(xù)總時間降低。調(diào)節(jié)加載應變率可以有效地影響活性材料的反應特性。

2)在相似應變率下，隨著Al粒徑的增大，PTFE/Al活性材料的反應延遲時間逐漸增加，反應持續(xù)時間、反應程度逐漸降低。就本文實驗數(shù)據(jù)而言，Al粒徑從50 nm增加到10 μm時，延遲時間最高增加40%，反應持續(xù)時間降低可達17%，能量釋放相差多達2.6倍。當Al粒徑達到70 μm時，在SHPB加載下難以發(fā)生反應。

3)微米Al粒徑和納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料由于其點火機理不同，在SHPB加載下反應性能差異明顯，納米Al粒徑的PTFE/Al活性材料的能量釋放遠高于微米Al粒徑的PTFE/Al活性材料。