Al/PTFE制备工艺与含能破片燃烧效应

彭琳茜，乔相信，朱晓丽，徐文科，刘海龙，徐赫阳

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000)

Al/PTFE制备工艺与含能破片燃烧效应

彭琳茜1，乔相信1，朱晓丽2，徐文科2，刘海龙3，徐赫阳1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000)

为研究Al/PTFE制备工艺与含能破片燃烧效应，采用粉末冶金方法制备了Al/PTFE含能破片，通过靶场试验验证Al/PTFE含能破片撞击Al板后的燃烧效应。结果表明：提高模压压力和通过烧结均能提高Al/PTFE材料的密度；Al/PTFE含能破片撞击目标并受到较大的挤压能使含能破片中的含能材料发生反应并放出热量，引燃浸有柴油的油布或油箱。

粉末冶金；Al/PTFE含能破片；燃烧

Al/PTFE复合材料是一种新型的含能材料，国外一般称之为Reactive Materials(反应材料)，或IMPaact-initiated Energetic Materials(冲击引发的含能材料)。该材料具有化学潜能，可在高速撞击时引发金属颗粒和氟聚基材料的反应,放出热量。由于该材料的高能、钝感和独特的能量释放特性，可广泛应用在军工、太空、石油工业等方面[1-4]。在军工领域，油箱是现代武器装备中的重要部件，一旦油箱被引燃，将会给目标造成巨大的毁伤效果，但是以钢球或钨球制成的传统预制破片攻击油箱时，依靠破片的动能只能穿透油箱不能引燃油箱，为达到引燃油箱的目的，需要一种新型的预制破片。

由于Al/PTFE含能材料具有特殊的能量反应特性，可制成一种新型的预制破片，该预制破片在撞击油箱的同时自身发生化学反应，放出大量的热量引燃油箱，实现目标多重毁伤。文献[5-6]等采用冷压烧结工艺制备了Al/PTFE含能材料并对其工艺过程及力学性能进行了研究，发现当Al粉含量为26%、压制压力为9MPa、烧结温度为380℃时，其力学性能较好。据报道美国海军研究办公室[7](office of naval research,ONR)对比反应破片与普通破片战斗部的毁伤效果，发现反应破片的杀伤半径是普通预制破片的2倍，毁伤效果是普通预制破片的500%，化学潜能是惰性破片平均动能的12倍。肖统超等[8]比较了单枚惰性破片(钨球破片)、穿燃破片(钨粉和锆粉混合烧结而成)、反应破片(反应材料)对飞机油箱的引燃效果，发现反应破片在对飞机油箱的毁伤能力方面具有明显的优势。

因此，本文采用粉末冶金方法制备Al/PTFE含能破片，探索模压的压力和烧结前后Al/PTFE含能材料密度的变化，通过靶场实验验证Al/PTFE含能破片的燃烧效应，为含能破片的制备提供理论和试验依据。

1 Al/PTFE含能材料的制备流程

Al/PTFE含能材料的制备在沈阳理工大学钨基纳米粉体及细晶合金实验室完成，称取不同质量粒径为6～7μm的Al粉与PTFE微粉在三维混料机上进行干式球磨混合，球料比为5∶1，混料时间为4h，配置不同Al质量分数的样品；将配置好的粉末放在769YP-24B粉末压片机上采用不同压力模压成直径为8mm的圆柱状压坯试样，将压坯放在Nabertherm管式炉里在氮气氛围中进行380℃烧结，升温速率为10℃/min，得到一定致密度的试样。Al/PTFE含能材料的制备流程如图1所示。

图1 Al/PTFE含能材料的制备流程

用JS-300E型电子比重计测量密度，精度为0.001，每个样品均测量3次取其平均值，用UNIPOL-820型研磨抛光机进行研磨和抛光，用日立S-3400N扫描电子显微镜观看样品的微观组织。

2 Al/PTFE含能材料的制备工艺

2.1 材料配比对Al/PTFE反应的影响

根据Al和PTFE反应的方程式[6]

4Al+3(-C2F4-)→4AlF3+6C

(1)

可计算Al和PTFE完全反应的质量比为26∶74，由此推知，当Al粉含量为26%时是理论上Al和PTFE反应的最佳配比，在试验中也是最易发生反应的。当Al粉过少时，不能提供足够的原子与PTFE反应，反应放出的热量减少；当Al粉过多时，Al原子与Al原子相互挤压，不能与PTFE充分接触发生反应。因此，在Al/PTFE含能材料的研制中配比采用26%的Al和74%的PTFE。

2.2 模压压力对Al/PTFE密度的影响

图2是不同Al含量的Al/PTFE密度随压力的变化。从图2中可以看出,当Al粉含量为20%、26%、35%、40%时，随着压力的升高,密度都呈现出先升后降又缓慢升高的趋势。当压力在0～9MPa之间时,密度随压力的升高而增大；当压力在9～12MPa之间时,密度随压力的增大逐渐减小,Al粉质量分数越高,密度减小的程度越大；当压力在12～15MPa之间时，Al粉含量为26%、35%、40%时的密度随压力的升高而缓慢增大；Al粉含量为20%时，密度出现了下降；当压力在15～18MPa之间时，密度随压力升高增加缓慢 。其原因可能是，当压力为0～9MPa时，拱桥被破坏，Al粉颗粒发生位移并迅速填充粉末间孔隙，使压坯体积减小，密度增大;当压力增至9MPa时，充填密度已达到最大，这时粉末体出现了一定的压缩阻力，此时压力虽然继续增加，但是压坯密度增加很少；继续增大压力，超过Al粉的临界应力值后，Al粉破裂，颗粒间孔隙增多，由于PTFE的粘接性使破裂的Al粉颗粒不能很快地将空隙填满，使得密度在压力超过9MPa时反而下降，Al粉越多，压力下降的趋势越明显。当压力继续增大，由于变形和位移的双重作用，压坯的密度又随之增大。

图2 不同Al含量的Al/PTFE密度随模压压力的变化

2.3 烧结工艺对Al/PTFE密度的影响

图3是Al含量为10%、26%、40%、74%时，380℃烧结前后Al/PTFE的密度变化。从图3可以看出，经过高温烧结后，不同质量分数的Al密度发生了不同程度地变化，当Al粉质量分数为10%、26%、40%时，烧结之后密度增大，但增加的幅度越来越小；当Al粉质量分数为75%时，烧结之后密度减小。图4是含26%Al的Al/PTFE经过烧结的微观组织，其中圆球状的为Al颗粒，PTFE经过烧结已经连成一片。当采用380℃温度烧结时，PTFE颗粒沿边缘接触点融化，使单片状PTFE逐渐连成一片，Al粉颗粒散落其中，镶嵌在熔融PTFE中；冷却后，Al和PTFE形成一个整体，两者粘合得较为紧密，没有出现较多的空洞和空隙，此时，样品的密度升高。由于Al粉对PTFE熔融温度的影响，当Al粉质量分数为74%、380℃烧结时，部分聚四氟乙烯已经发生了分解，所以烧结后，压坯的密度反而降低。

图3 不同成分的铝在380℃温度下烧结前后的密度

图4 含26%Al的Al/ PTFE烧结后的微观组织图

3 Al/PTFE破片引燃效应试验

将含能材料柱放置在内径为8mm、外径为12mm、高度为12mm的35CrMnSiA壳体中并用端盖密封成含能破片，装在直径为14.5mm的药筒里，如图5所示。表1为3个试验所采用的含能破片材料的具体数据，压制压力为9MPa,烧结温度为380℃。

表1 Al/PTFE材料制备数据

试验中采用14.5mm弹道枪发射14.5mm弹丸，通过改变发射药量调节发射速度。高速摄影机放置在距靶板一定距离的右侧(型号PHANTOM220)，拍摄频率为3000fps。外部环境温度为15℃。1号试验采用12mm厚、300mm×300mm Al板作为靶板,放置在距离弹道枪7.2m的正前方，油布挂在靶板后面。2号试验为了使Al/PTFE充分反应，在Al板后方100mm处放置一块3mm厚的钢板，在钢板的前方放置一块浸有柴油的油布。3号试验将Al板换成6mm厚Q235钢制300mm×300mm×300mm的油箱，油箱中装油量为1/2，此时油箱正面距离弹道枪6.9m。靶场设置如图6所示。

图5 Al/PTFE含能破片

图6 靶场设置

4 试验结果与讨论

试验结果如图7、图8和图9所示。

图7 Al/PTFE含能破片撞击Al板

1号试验中，含能破片以V=1200m/s的速度撞击Al板，如图7所示，含能破片与Al板发生摩擦，出现火花，冒出大量白烟，但没有引燃Al板后面浸有汽油的油布。可能是因为Al板强度较低，含能破片穿透Al板时没有受到剧烈挤压，不能致使Al和PTFE发生反应，放出热量引燃油布，因此，1号实验Al和PTFE没有发生化学反应只是出现撞击产生的火光没有引燃油布。2号试验中，在Al板后面放置一块钢板，含能破片穿过Al板，撞击钢板后，迅速将放在钢板前方的油布点着，持续燃烧数秒后熄灭，如图8所示；2号试验中油布被引燃，可能是因为Al/PTFE含能破片撞击钢板时受到剧烈挤压发生变形导致Al和PTFE发生化学反应产生爆燃引燃油布。3号试验中，Al/PTFE含能破片以V=1200m/s的速度撞击油面上方，由图9中可以看出，油箱均被引燃，但持续燃烧的时间较短；当Al/PTFE含能破片撞击油箱时受到挤压，发生化学反应产生爆燃，点燃油箱中的柴油。

图8 Al/PTFE含能破片撞击Al板和钢板

图9 Al/PTFE含能破片撞击油箱

5 结论

通过研究Al/PTFE含能材料的制备和靶场试验验证其燃烧效应，得出如下结论：

(1)当含能破片中Al含量为26%和20%时，取得了较好的燃烧效果。

(2) 当压制压力在0～9MPa之间时,Al/PTFE的密度随压力的升高而增大；当压力在9～12MPa之间时,Al/PTFE密度随压力的增大逐渐减小；当压力在12～15MPa之间时，Al粉含量为26%、35%、40%时的密度随压力的升高而缓慢增大，而当Al粉含量为20%时，密度出现了下降；当压力在15～18MPa之间时，Al/PTFE密度随压力升高增加缓慢。

(3) 烧结对材料的密度有一定的提高作用。当Al粉含量为10%、26%、40%时，烧结后材料的密度增加；随着Al粉含量的增加，密度增加的幅度越来越小；当铝粉含量为75%时，烧结之后材料的密度反而减小。

(4) Al/PTFE含能破片以速度V=1200m/s穿透钢板的过程中必须受到较大的挤压，发生剧烈变形，才能激发含能破片中的物质发生化学反应释放热能并引燃油布。当Al/PTFE含能破片撞击装有1/2柴油油箱的油面上方时，可以引燃油箱中的柴油。

[1]Wang H F,Liu Z W,Wang H,et al.IMPaact Initiated Characteristics of Reactive Material Fragments [C]// 2007 International Autumn Seminar on Propellants,Explosives and pyrotechnics .Xi′an,2007：429-432.

[2]张彤.含能破片材料的制备及毁伤性研究[D].长沙：国防科学技术大学,2006.

[3]黄亨建,黄辉,阳世清,等.毁伤增强型破片探索研究[J].含能材料,2007,15(6):566-569.

[4]周杰，何勇，何源，等.含能毁伤元冲击引爆模拟战斗部试验研究[J].含能材料,2016,24(11):1048-1056.

[5]徐松林.PTFE/Al含能反应材料力学性能反应研究[J].高压物理学报，2009,23(5)：384-389.

[6]阳世清,徐松林,张彤.PTFE/Al反应材料制备工艺及性能[J].国防科技大学学报,2008,30(6)：39-43.

[7]Tayor A P.Al/PTFE reactive material (RM-4) sandia effort:experiment & modeling[R].SAND,2003.

[8]肖统超,陈文,王绍慧,等.不同破片杀伤元对飞机油箱的毁伤试验[J].四川兵工学报,2010,31(12):32-34.

(责任编辑：赵丽琴)

TheMethodofAl/PTFEPreparationTechnologyandtheBurningEffectofEnergeticFragment

PENG Linxi1,QIAO Xiangxin1,ZHU Xiaoli2,XU Wenke2,LIU Hailong3,XU Heyang1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoshen Industries Croup Co.Ltd,Shenyang 110045,China;3.CRRC QINGDAO SIFANG CO.,LTD.Qingdao 266000,China)

In order to study the preparation technology of Al/PTFE and the burning effect of energetic fragment,the Al/PTFE reactive material was preperad by using the powder metallurgy method.The experiment has venified the burning effect that the Al/PTFE energetic fragment penetrates the Al target plate.Results show that,with the increase of pressure and in a way of sinter,the density of Al/PTFE gradually increases.With the big pressure when the Al/PTFE energetic fragment penetrates the target plate,the energetic fragment releases energe to burn the fuel tank that contain the diesel oil.Keywordspowder metallurgy;Al/PTFE energetic fragment;burn

2017-01-05

彭琳茜(1991—)，女，硕士研究生；通讯作者：乔相信(1959—)，教授，研究方向：弹药工程。

1003-1251(2017)04-0057-05

TJ55;O389

A