HTa填充改性Al_PTFE反应材料的力学响应与侵彻毁伤.pdf
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1、含能材料2023 年 第 31 卷 第 8 期(753-762)HTa 填充改性 Al/PTFE 反应材料的力学响应与侵彻毁伤CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALSHTa填充改性 Al/PTFE反应材料的力学响应与侵彻毁伤任鑫鑫1,2,李裕春2,柳锦春1(1.南京航空航天大学 民航学院,江苏 南京 211100;2.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 210007)摘要:为了研究储氢钽粉(HTa)对铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)反应材料的材料密度和能量密度的影响,制备了 4种不同 HTa含量(5%,10%,20%,30%)的 Al/HTa/PTFE和
2、不含 HTa的 Al/PTFE圆柱体试件,通过霍普金森压杆实验和弹道枪撞靶侵彻实验,对材料的动态力学性能、点火阈值、撞击毁伤与释能特性进行了对比研究。结果表明,Al/PTFE和 Al/HTa/PTFE均为弹塑性材料,应力应变变化趋势一致。4种 Al/HTa/PTFE材料点火阈值分别为 4470,5620,5135 s-1和 3948 s-1,点火延迟时间随 HTa填料的增加呈先降后升的变化。与 Al/PTFE反应材料相比,Al/HTa/PTFE弹丸在间隔靶之间的反应区显著扩大,对靶板造成严重黑色烧灼痕迹,产生积碳效果,侵彻能力与二次破片毁伤得到提升,能进一步增强材料的撞靶毁伤水平。关键词:填充
3、改性;动态力学行为;点火阈值;间隔靶毁伤;释能特性中图分类号:TJ55;O38文献标志码:ADOI:10.11943/CJEM2023033 0引 言活性材料又称为反应材料或多功能含能结构材料,该材料通常由两种或多种非爆炸固体组成,铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)是其中较为典型的一种。通过简便的模压、烧结等工艺后,活性材料可制备成具有特定形状、力学强度、质量密度的结构件,因此常被制成反应破片、药型罩等毁伤元对目标进行打击1。与常规惰性弹丸高速撞击多层板的单一动能机械侵彻损伤模式不同2-5,反应材料弹丸在高速撞击目标时会释放大量化学能,产生动能和化学能耦合毁伤效果,对板后目标的损伤具有增强效果6
4、-7。近年来,国内学者在提高反应材料的释能特性、毁伤后效等领域开展了广泛研究。相比于传统反应材料,Al/PTFE 反应材料虽具有冲击反应的物化性能,但密度和强度等力学性能不足8。为了满足 Al/PTFE 反应材料作为结构毁伤元的力学要求,且保证材料的能量密度,国内外学者基于反应材料的可调控性进行了力学性能、材料密度、能量密度的填充改性探索,并对其毁伤效果进行验证。Xu和周杰等9-11将钨(W)引入到 Al/PTFE 反应材料以提高材料密度,并进行了撞击间隔靶、准静态压缩和冲击释能实验,研究了材料的释能特性和力学性能。张军等8将 ZrH2添加到 Al/PTFE 反应材料中并制备了药型罩,开展了高
5、速穿靶实验,研究了撞击反应双重毁伤效果,验证了 ZrH2对 Al/PTFE 反应材料药型罩穿靶孔径 的 增 强 效 果。Yuan 等7制 备 了 PTFE/Al/Bi2O3、PTFE/Al/MoO3、PTPE/Al/Fe2O3双层弹丸,通过建立动能和化学能联合作用的分析模型,讨论了反应弹丸撞击双层板的时序毁伤行为。黄骏逸等12将 Fe2O3,MoO3,MnO2引入到 Al/PTFE 反应材料,制备了 3 种三元氟基反应材料,并测试其准静态压缩条件下的力学性能,以及制备的药型罩在炸药驱动下对靶板的穿孔扩孔效应。吴家祥等13制备了 PTFE/Al/TiH2、PTFE/A1/MgH2和 PTFE/A
6、l/ZrH2反应材料,通过准静态压缩试验和霍普金森压杆试验,研究了材料的力学响应,通过药型罩冲击损伤实验,系统地研究了反应能量、反应机理和损伤效应。HTa 具有较高的密度(15.1 gcm-3),且研究发文章编号:10069941(2023)08075310引用本文:任鑫鑫,李裕春,柳锦春.HTa 填充改性 Al/PTFE 反应材料的力学响应与侵彻毁伤J.含能材料,2023,31(8):753-762.REN Xinxin,LI Yuchun,LIU Jinchun.Mechanical Response and Penetration Damage of Al/PTFE Reactive M
7、aterials Filled with HTaJ.Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao),2023,31(8):753-762.收稿日期:20230307;修回日期:20230429网络出版日期:20230713基金项目:国家自然科学基金资助项目(51673213);江苏省青年基金资助项目(BK20200585)作者简介:任鑫鑫(1995-),男,博士研究生,主要从事爆炸与毁伤作用机理研究及其应用。email:通信联系人:柳锦春(1973-),男,教授,主要从事冲击毁伤及工程防护研究。email:753www.energ
8、etic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials,Vol.31,No.8,2023(753-762)任鑫鑫,李裕春,柳锦春现,高密度的金属钽在制备爆炸成型弹丸(EFP)等方面具有良好的侵彻穿甲效果,相关研究结果表明钽侵彻威力较铜提升 30%35%14-15。任萍等16将金属钽粉(Ta)在 600800 下保温 13 h,停电降温通入氢气,制备得到实验 HTa 原材料,而 HTa 脱氢需要升温至 600900。同时,已有研究表明,HTa对 Al/PTFE材料的力学强度有提升效果,在压缩点火时发生分解释放氢气并参与 Al/PTFE反应,且反应热值较高1
9、7。尽管目前进行了大量的材料填充改性的毁伤实验,但同时兼顾材料密度与能量密度的研究较少。为改善 Al/PTFE材料的密度和能量密度,提高 Al/PTFE反应弹丸撞击间隔靶的时序毁伤行为。本研究通过填充改性的方式引入 HTa,制备了 Al/HTa/PTFE反应材料,并开展了实验研究。通过动态力学实验分析材料的动态力学响应,开展了 2 种冲击速度的弹道枪冲击实验以验证该材料的侵彻与冲击反应释能效果。并讨论了毁伤效应与填料含量、撞击速度和化学特性的关系。1实验部分1.1原料与样品试件制备原料:PTFE,平均粒径 25 m,上海三爱富新材料股份有限公司;Al 粉,平均粒径 1 m,湖南金天铝业高科技股
10、份有限公司;储氢钽粉(HTa),8 m,宁夏东方钽业有限公司;无水乙醇(上海国药集团化学试剂有限公司)。Al/HTa/PTFE 反应材料样品制备:将 Al和 PTFE的质量分数按照化学平衡比(26.5%/73.5%)进行配比,HTa 再 以 4 种 含 量(5%,10%,20%,30%)填 充 到Al/PTFE 材 料 中,制 备 得 到 不 同 质 量 分 数 HTa 的Al/HTa/PTFE反应材料#,如表 1所示。试件的制备:使用电动搅拌器将表1中AlHTaPTFE混合物在无水乙醇溶液中搅拌 30 min,以制备均匀分散的溶液,再置于 60 真空烘箱中干燥 24 h。然后在 300 MP
11、a 的压制压力下使用模具冷压成尺寸为10 mm5 mm 和 10 mm20 mm 的圆柱体,并在烧结温度为 360 的真空烘箱中恒温烧结 4 h,其中加热速率为90 h-1,冷却速度为50 h-1,最终得到分离式霍普金森压杆实验试件和弹道枪冲击毁伤实验圆柱体试件。#材料制成的弹丸分别记为 1#5#,其中 Al/PTFE材料制作的弹丸(1#)为对比组。1.2实验装置使用直径为 20 mm 的铝材分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置测试材料的动态力学性能和冲击点火特性,依托合肥姜水动态力学实验技术有限公司平台开展实验,装置示意图如图 1所示。SHPB实验装置由撞击杆、入射杆、透射杆和能量吸收杆组
12、成,长度分别为 800,4528,2525 mm 和 1000 mm。通过高速摄影(FASTCAM SAZ)和数据采集仪等对实验数据进行采集。弹道枪冲击毁伤实验测试反应弹丸对间隔钢靶的侵彻毁伤行为,实验依托南京理工大学汤山科研实验中心进行。实验装置如图 2 所示,主要由 12.7 mm 口径弹道枪、六通道测速仪、靶板、高速摄影(FASTCAM SAZ)等组成。弹道枪口与最前端撞击靶距离为 3 m,表 1Al/HTa/PTFE复合材料各组分配比Table 1Component ratios of the Al/HTa/PTFE compositescomposites#PTFE/%73.569.
13、866.258.851.5Al/%26.525.223.821.218.5HTa/%0 5102030theoretical maximum density/gcm-32.312.422.532.793.10actual density after sintering/gcm-32.282.372.462.713.02图 1SHPB实验装置示意图Fig.1Schematic diagram of SHPB experimental device754CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS含能材料2023 年 第 31 卷 第 8 期(753-762)HTa
14、 填充改性 Al/PTFE 反应材料的力学响应与侵彻毁伤间隔靶规格为 3 mm 厚 4340钢板,用来评估撞击毁伤后效,靶与靶之间间隔设为 25 cm。1.3实验部分1.3.1动态压缩试验考虑到氟聚物反应材料的波阻抗较低,选用铝材实验杆进行试验,并在撞击杆和入射杆之间放置橡胶垫片脉冲整形器,以实现入射脉冲缓慢上升,从而最大限度地减少分散效应,实现试件中的动态应力平衡和恒应变率变形。为了便于应力通过试件快速传递并达到恒定应力状态18-19,采用长径比为 0.5 的圆柱形试件。在试件端面涂凡士林,以保持光滑和润滑,减少径向、纵向惯性,减少端面摩擦约束。实验过程中,撞击杆碰撞入射杆并产生入射波,通过
15、入射杆和透射杆上的应变片记录应力波的脉冲信号。为了分析材料的应变率效应,调整撞击杆速度(5、8、11、14、17 ms-1)改变应变率。1.3.2间隔板的损伤实验反应弹丸通过弹托安装在 12.7 mm 口径弹道枪进行冲击靶板毁伤实验,并通过调整发射药质量实现弹丸 2种撞靶速度(900、1250 ms-1,如 1#毁伤元的两种弹道速度实验分别命名为 1#1、1#2)。使用六通道测速仪测定弹丸的冲击速度,并通过高速摄影记录反应弹丸的飞行姿态,反应药柱撞靶后的反应现象、反应时长以及撞击破碎飞散反应的过程。根据#材料力学性能和填料含量,选取#,#,#材料制成弹丸毁伤元(1#,3#,5#),开展反应材料
16、弹丸类型和弹道速度实验,并对其侵彻释能毁伤性能进行分析和讨论。1.3.3其他测试采用 Hitachi S4800 型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,简称 SEM)对原材料粉末及烧结后试件内部微观形貌进行观测。2结果与讨论2.1动态压缩下材料的力学性能图 3和图 4分别为 Al/PTFE和 4种 Al/HTa/PTFE反应材料的真实应力应变曲线,#反应材料在不同应变率下的应力应变曲线均可分为弹性阶段、塑性阶段、破坏失效阶段。#反应材料的应力应变曲线呈现良好一致性,应变率效应明显,而含有 HTa 改性填料的反应材料(#)不同应变率下的应力应变曲线部分发生波
17、动,应变率效应不明显。对比图 4ad近似应变率(3300 s1附近)时 5 种材料的压缩强度可图 3#材料的真实应力应变曲线Fig.3The true stressstrain curves of#material图 2弹道枪冲击实验Fig.2Ballistic impact experiments755www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials,Vol.31,No.8,2023(753-762)任鑫鑫,李裕春,柳锦春以看出,#材料强度为 151.6 MPa,#材料强度为80.9 MPa,#材料的压缩强度均回升到 110 M
18、Pa以上,随着 HTa含量的增加呈先降低后回升趋势。当试件压缩变形时,金属颗粒在 PTFE基体中相互连接形成力链并承受和传递载荷,阻止试件进一步变形。颗粒填料的质量分数或粒度改变对动态载荷下试件塑性变形、失效行为和化学反应具有复杂影响20-21。试件在加载时,大尺寸、形状不规则颗粒不利于形成稳定的力链,且容易造成应力集中22。从图 5 为原材料及#样品的微观结构图可以看出,HTa粉形状不规则且粒度分布不均匀,部分粒径在 10 m 左右。Al颗粒平均粒径约为 1 m 且表面光滑。因此,HTa 含量较少时(5%),材料的压缩强度降低,而当 HTa 含量升高时,主要由 HTa 材料为主要颗粒增强填料
19、,应力集中效应分散,材料的压缩强度回升。随着应变率进一步提高,Al/HTa/PTFE 试件(2#5#)内部发生黏塑性变形和裂纹扩展形成热点进而发生反应1,但应力应变总体变化趋势一致。2.2冲击点火反应特性采用“升降法”23得到 4 种类型 Al/HTa/PTFE 材料(#V#)的应变率点火阈值,结果如图 6 所示。其中Al/PTFE 反应材料在实验应变率下没有发生点火反应,因此图中不进行表述。从图 6 应变率(撞击速度)点火阈值曲线(黑色折线)可以看出,4类 Al/HTa/PTFE试件均在最高应变率下发生反应。随着 HTa 含量的升高,Al/HTa/PTFE 材料的应变率点火阈值先升高后a.#
20、b.#c.#d.#图 44种类型 Al/HTa/PTFE材料的真实应力应变曲线Fig.4True stressstrain curves of four types of Al/HTa/PTFE materialsa.HTac.AlHTaPTFE mixed powers(#)b.Al图 5 原材料和混合粉末的微观结构图Fig.5 Microstructure of the original materials and mixed powers756CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS含能材料2023 年 第 31 卷 第 8 期(753-762)HTa
21、 填充改性 Al/PTFE 反应材料的力学响应与侵彻毁伤降低。其中,HTa 的质量分数从 5%升高到 10%时阈值提高,从 10%升高到 30%时阈值下降。从图 6 点火试件对应的动态压缩强度曲线(红色折线)可以看出,发生点火反应的试件压缩强度均较高,而试件的 HTa 质量分数在 5%20%时,点火反应的压缩强度阈值提高,质量分数在 20%30%时,阈值下降,点火反应的压缩强度阈值下降。当维持力链的填料较少,冲击诱发点火的压缩强度较低。然而,过量的填料会破坏力链的稳定性并加速裂纹的形成20。对 4种 Al/HTa/PTFE材料制成的试件(2#5#)进行了扫描电镜测试,得到了试件断口微观形貌图,
22、如图 7所示,Al颗粒和大尺寸且形状不规则的 HTa颗粒包裹在 PTFE 基体中,基体中存在微孔洞,颗粒与基体界面存在间隙。冲击压力作用下微孔洞附近发生变形并形成温度梯度较大的局部温升区,微孔洞越大,其表面附近能量沉积得越多,温升越高24,1。从 2#5#试件内部微孔洞可以看出,随着 HTa 含量的升高,试件内部空洞和空隙率呈先降低后升高的趋势,这与非均质含能材料内部热点和数量的变化趋势相似。即试件压缩过程中吸收能量并在微孔洞附近形成温升区,而试件的力学性能、空隙率进一步影响试件加载时内部温度和数量,进而影响点火阈值。图 8 分别为#材料在应变率阈值(黑色折图 7 Al/HTa/PTFE试件内
23、部扫描电镜结果Fig.7 Scanning electron microscope results inside of Al/HTa/PTFE specimens图 6不同 HTa含量的 Al/HTa/PTFE材料点火阈值Fig.6Ignition threshold of Al/HTa/PTFE materials with different contents of HTa图 8Al/HTa/PTFE材料撞击点火过程(a.#;b.#;c.#;d.#)Fig.8Impact ignition process of Al/HTa/PTFE materials(a.#;b.#;c.#;d.#)7
24、57www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials,Vol.31,No.8,2023(753-762)任鑫鑫,李裕春,柳锦春线)条件下的撞击点火过程。由图8a、8d加载反应过程可以看出,HTa质量分数为5%、30%的试件在300 s开始破碎飞散,随后发生弱点火反应。由图 8b、8c 加载反应过程可以看出,HTa 质量分数为 10%、20%的试件随着应变率升高,应力波脉冲幅值增大,试件破碎和点火延迟时间缩短。点火延迟时间为从试件初始加载时刻至试件发火的时间间隔。#材料的点火延迟时间分别为:1250,400,450,900 s。研究
25、分析表明1,同种材料仅改变加载应变率时,随着应变率的提高,点火延迟时间缩短。根据加载应变率与点火延迟时间的关系,发现#材料在 4470 s1时的点火延迟时间(1250 s)反而比低应变率下(#材料在 3948 s-1)的点火延迟时间(900 s)更久,为反常现象。结合准静态压缩力学性能17和动态压缩强度可知,#材料的准静态和动态抗压强度值最低。由于试件压缩产生的高裂纹面积是引发反应的关键机制20。在塑性变形期间,力链保持的损伤引起更多的局部应力集中,增强了材料反应的可能性。因此,认为#材料力学性能较弱是点火延迟时间反常的主要因素。结合以上分析可知,HTa 质量分数的升高导致Al/HTa/PTF
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