一种反应材料制备及准静态力学特性研究

刘晓俊， 任会兰

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)



一种反应材料制备及准静态力学特性研究

刘晓俊， 任会兰

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

采用热压烧结法制备Zr/W/PTFE反应材料，利用扫描电镜和材料试验机研究其在常态下的微观组织和准静态压缩力学性能；研究结果表明烧结温度过高或过低都会导致Zr/W/PTFE材料密度和强度降低；静态压缩曲线呈现出明显的弹性变形、非弹性变形和应变软化阶段，并具有应变率效应；试件的压缩破坏有劈裂、剪切和劈裂/剪切3种破坏形态. 该材料呈现出黏弹塑性，采用修正的Sargin模型唯象地建立了材料在低应变率范围内的本构模型，模拟结果与实验曲线符合较好.

Zr/W/PTFE反应材料；制备；力学特性；本构模型

反应材料[1]最早是由美国海军提出的一类提高破片战斗部毁伤效能的新材料，其一般由多种非爆炸性固体物质组成，在强冲击条件下会发生剧烈化学反应或爆炸. 常态下保持钝感的该类材料，具有一定的结构强度以承受爆炸加载并保持较好的完整性，贯穿目标壳体后在其内部发生反应释放大量的能量来增加毁伤效果. 反应材料因在军事上的广阔应用前景得到了广泛关注[2]，同时其在推进、焊接、烟火和石油等领域也有着重要的应用[3-4].

金属/氟聚物因其高能量水平和独特的反应释能等特性成为目前研究最多的反应材料. Willis Mock等[5]对PTFE/AL研究发现铝的粒径会影响其反应阈值. Cai Jing[6]， Herbold E B等[7]对PTFE/A1/W的冲击压缩动态行为进行了实验研究，考虑颗粒尺寸等细观因素对强度的影响，并进行了二维仿真研究. 张先锋等[8]对反应材料及其应用的国内外研究现状做了总结，并提出研究方向. 中国工程物理研究院黄亨建等对PTFE/AL增强型破片实验研究发现其化学潜能约为其平均动能的12.4倍，具有比相同尺寸的惰性钢破片更大的毁伤性. 王海福等[9]对反应破片冲击反应、能量释放行为等宏观特性进行了实验研究. 阳世清、徐松林等[10-11]对PTFE/Al的制备工艺和力学特性进行了研究，建立了基于Johnson-Cook模型的冲击本构，获取了不同应变率下的应力应变行为.

金属/氟聚物的强度普遍偏低，还不足以单独成为毁伤元的结构件材料. 力学性能是反应材料设计和获得应用的关键而需重点关注，本文针对Zr/W/PTFE材料的制备和其准静态力学特性进行研究.

1 实 验

1.1 原材料及制备

试验所用各种原料的粒径和成分配比见表1，采用热压烧结方法制备了3组Zr/W/PTFE反应材料，其工艺流程如图1所示.

表1 各成分及配比

1.2 准静态压缩实验

准静态压缩试验是在北京理工大学西山实验区的万能材料试验机上完成的，在应变率为0.000 1，0.001 0和0.010 0 s-1条件下对尺寸为Φ10 mm×10 mm试样进行压缩试验，获得对应应变率下的应力应变曲线.

2 实验结果与讨论

2.1 烧结温度对密度影响

PTFE属直链状热塑性聚合物，其结晶度很大程度受制于成型时的烧结温度影响. PTFE的结晶熔点为327 ℃，高于此温度时结晶区域消失转为透明的无定形凝胶状态，当温度低于此温度时又重结晶. 不同烧结温度下Zr/W/PTFE试样的密度见表2，材料在380 ℃下烧结得到的试样密度要明显高于另外两组下烧结得到的试样. 对试样进行XRD分析，如图2所示. 可知该制备流程中烧结制度下并未生成新的结晶物质，密度变化可能是[10]：PTFE基体在烧结温度为370 ℃时熔融混合不够充分，以至冷却后结晶度不高造成试样密度下降；当烧结温度达到390 ℃时，PTFE聚合物的裂解速度逐渐加快，会分解出少量四氟乙烯、全氟丙烯和八氟环丁烷等气体，试样内部产生孔洞致使密度下降，如图3所示.

表2 烧结温度对Zr/W/PTFE材料密度的影响

Tab.2 Relation between sintering temperature and Zr/W/PTFE density

烧结温度/℃密度/(g·cm-3)致密度/%370632897738065292613906008523

2.2 准静态压缩力学性能

不同烧结温度Zr/W/PTFE试样在应变率为0.001 s-1加载下的准静态压缩试验曲线如图4所示. 材料在380 ℃下烧结得到的试件压缩强度要明显高于390 ℃，略高于370 ℃下烧结得到的试件. 制备的该材料属于颗粒增强聚合物基复合材料，其力学特性主要依赖于基体性能以及基体与增强颗粒间形成的界面. PTFE烧结过程是一个相变过程，当温度超过327 ℃，大分子结构中的晶体部分全部转变为无定形结构，当温度低于此温度时又复结晶，且烧结后的冷却速度与结晶度相关. 370 ℃下烧结得到的试件相对于380 ℃组烧结温度偏低，且冷却速度快，材料结晶度小，故其压缩强度略低. 由于390 ℃烧结温度偏高，不仅试样孔隙率高，且部分结晶的PTFE聚合物会变成脆的硬橡胶、珐琅质状的无定形物质，所以基体内部缺陷多，粘结界面相对较弱而导致压缩强度变低.

在3种低应变率加载条件下，对380 ℃-Zr/W/PTFE材料进行压缩试验，得到准静态应力-应变曲线，如图5所示. 可以看出材料的压缩强度表现出一定的应变率效应，应变率为0.001 0和0.000 1 s-1的应力-应变曲线几乎重合，故可以用0.001 0 s-1应变率压缩表征其准静态响应. 应变率0.001 0 s-1下的多组试验重复性较好，表明该制备工艺流程品控较为可靠.

从图4和图5中可以看出，材料的应力-应变曲线没有明显的屈服点，可将其分为以下4个阶段：① 初始压实阶段：受压初期，随着载荷的逐渐增加，试件、压头及垫块之间接触也越来越紧密，使得应力应变曲线呈上凹状；② 线弹性阶段：由于试件中应力较小，金属颗粒与PTFE基体接触界面裂缝保持稳定，材料主要发生为PTFE键长键角产生的形变及链段的运动[10]，应力-应变曲线近似为直线；③ 非线性强化阶段：当应力加载到某一水平时，材料内部不仅接触界面裂缝系统变得不稳定，而且PTFE基体中裂缝增加、摩擦滑移、弯折稳定扩展造成应力应变曲线明显弯曲趋向水平，呈现非线性强化行为；④ 应变软化阶段：当达到峰值荷载后材料承载能力逐渐降低，出现明显应变软化现象，裂缝发生不稳定扩展将导致材料强度降低直至破坏.

2.3 准静态压缩破坏模式

图6给出了压缩试验中试样发生的典型破坏形貌，其主要破坏模式为大致沿轴向平行方向的劈裂破坏和剪切破坏，且通常两种模式同时存在.

随着载荷的增加，试样基体内部存在的孔洞和基体与金属颗粒间界面的裂纹尖端具有较强的应力集中，当其应力集中因子超过基体的断裂韧度时，在尖端处萌生拉伸裂纹并迅速扩展，最终扩展至与外加最大应力近似平行的方向，呈现劈裂形式破坏[12-13]. 当材料进入非线性强化阶段，材料变形主要集中于一小部分区域上形成变形局部化剪切带，金属颗粒和PTFE基体之间产生相对滑移从而导致材料剪切破坏. 随着压头继续下压，材料承载能力下降加快，裂缝向试件的角部和内部延伸和拓展，压头与试件接触面因摩擦作用而产生端面效应，两端面变形较小，试件中部靠近表面材料外胀、剥落，最终呈现如图6(d)所示正倒相接的四角锥破坏形态.

对准静态压缩实验回收的试样断面进行细观观察，图7为放大1 000倍时的形貌. 从图中可以看出，在断面上存在金属颗粒与PTFE基体分离及基体断裂的现象，这也证明该材料压缩性能主要取决于基体特性和基体与金属颗粒间形成的界面质量.

3 黏弹性本构模型

试样的压缩强度随着加载应变率的升高而增大，其临界应变值应变率效应不明显，其值基本为常数，约为0.072. 故可以采用应力归一化的方法研究其本构，令归一化应力为

(1)

式中：σ为试样的压缩应力；σc为试样的压缩强度. 材料在不同应变率条件下获得的应力应变曲线经归一化处理后基本重合，如图8所示.

发现该材料压缩应力应变响应规律与混凝土、炸药类似，塑性硬化之后会产生塑性软化效应. Sargin提出的单轴受压应力应变模型能够较好模拟材料发生的塑性硬化-软化现象，但其并未考虑应变率效应，认为试样的最大压缩应力与破坏时的极限应变均为常数[14]. 因此，可以考虑应变率效应后修正的Sargin模型描述Zr/W/PTFE的准静态压缩力学响应，有

(2)

式中：C1为控制曲线上升阶段参数；C2为主要影响试样破坏之后的软化阶段参数；C3和n为静态加载应变率效应参数，拟合得

C1=3.29，C2=-0.8，C3=-1.122 8，n=0.051.

对实验结果进行拟合，结果如图9所示.

从图9中可以看出所建立的本构模型能较好地描述材料在低应变率条件下的应力-应变行为.

4 结 论

利用热压烧结制备了Zr/W/PTFE材料，并对其进行准静态单轴压缩实验，得到了该材料的应力-应变响应和细观破坏形态，通过以上实验结果分析，主要结论如下：

① 该制备工艺较为可靠，并发现380 ℃下制备的试样性能参数较好，密度为6.52 g/cm3，92.61%TMD，准静态压缩强度为40 MPa. 烧结温度过高或过低都会导致材料密度和压缩强度的降低.

② 对试样进行了准静态单轴压缩试验，获得材料在0.000 1～0.010 0 s-1应变率范围内的应力-应变曲线，其压缩强度具有一定的应变率效应.

③ 在准静态单轴压缩实验中，试样发生的主要破坏模式为劈裂和剪切破坏，该材料的压缩强度取决于基体以及基体与增强颗粒间形成的界面.

④ 该材料呈现出黏弹塑性，故利用修正的Sargin模型，建立了材料在低应变率范围内的本构模型，发现该模型能较好地描述其在单轴压缩下的应力应变响应.

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(责任编辑：刘雨)

Preparation and Quasi-Static Mechanical Properties of a Reactive Material

LIU Xiao-jun， REN Hui-lan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The Zr/W/PTFE reactive material was sintered by hot-pressing, the microstructure photos and the quasi-static compression mechanical properties were investigated experimentally using SEM and MTS at room temperature. Results show that the density and strength of Zr/W/PTFE material will reduce when the sintering temperature is too high or too low. The quasi-static compression curves can be broadly divided into elastic deformation region，inelastic deformation region and strain softening region, and also demonstrate a distinct strain rate effect in the material. The specimens display three kinds of fracture modes, the splitting failure, the shear failure and the splitting/shear failure under the static compressive load. According to the failure strength with strain rate and visco-elastoplasticity, a modified Sargin constitutive model of the material at low strain rate was proposed. The simulation results of the constitutive model well accord with the experimental results.

Zr/W/PTFE reactive materials；preparation；mechanical properties；constitutive model

2014-06-30

国家自然科学基金资助项目(11172045)；国家重点基础研究发展计划(2010CB832706)

刘晓俊(1989—)，男，博士生，E-mail:shooterlnz@163.com.

任会兰(1973—)，女，教授，博士生导师，E-mail:huilanren@bit.edu.cn.

TB 333； O 341

A

1001-0645(2016)04-0365-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.04.006