Al-Ni-PTFE反应材料的准静压力学响应与毁伤性能研究

吴家祥，方 向，李裕春，王怀玺，任俊凯，张 军



Al-Ni-PTFE反应材料的准静压力学响应与毁伤性能研究

吴家祥，方 向，李裕春，王怀玺，任俊凯，张 军

（陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京，210007）

为研究Ni作为添加物对Al-PTFE反应材料力学性能及反应特性的影响，采用模压烧结法制备了不同配比的Al-Ni-PTFE试件，通过准静态压缩实验和毁伤打靶实验，对Al-Ni-PTFE反应材料的准静压力学响应与毁伤性能进行了研究。结果表明：随着Ni含量的增加，材料由延性转变为脆性，材料强度呈现先增后减的趋势，当Ni的体积分数为10%时，材料的应变硬化模量和压缩强度达到最大，分别为51.35MPa和111.41MPa。毁伤打靶实验中，对于3mm钢板，Al-PTFE的毁伤效果最好；对于10mm钢板，Ni体积分数为10%的Al-Ni-PTFE的毁伤效果最好。在实际应用中，对于不同的毁伤目标，可针对性设计不同配比的Al-Ni-PTFE毁伤元。

反应材料；Al-Ni-PTFE；力学响应；药型罩；毁伤效果

铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)作为一种典型的反应材料[1-2]，具有能量密度高、机械性能好、稳定性强、较易制备等特性，可将其以含能药型罩和反应破片的形式制成具有撞击-反应二重作用的高能战斗部，在依靠自身动能侵彻目标的同时，引发爆炸、燃烧等化学反应，从而实现对目标的二次毁伤[3]。

Al-PTFE反应材料的强度是获得较好应用的关键，为了提高材料的强度和密度，国内外学者主要研究了Al-PTFE在不同影响因素下的工程应变及加入不同添加剂后的性能变化。冯彬等[4-5]发现在准静态压缩下，经过特殊热处理的Al-PTFE 能够发生剧烈反应；吴家祥等[6]研究了Al粒径对Al-PTFE力学性能及反应特性的影响；Cai等[7]通过对PTFE-Al-W材料的力学性能开展研究，发现W颗粒的加入能够有效提高Al-PTFE的强度；同时，Herbold等[8]研究了粒径对PTFE-Al-W材料的强度、失效和冲击性能的影响；于钟深等[9]利用准静态压缩实验，发现在Al-PTFE中添加TiH2颗粒可以显著增强复合材料的强度。

之前的研究工作主要集中在Al-PTFE加入W颗粒后的性能变化上，虽然W具有极高的密度（19.3 g/cm3），但由于W不参与反应，添加至Al-PTFE中仅作为质量的载体，在材料体积分数不变条件下必然会降低材料的能量密度。Ni具有较高的密度（8.9g/cm3），并且Eakins等[10]发现，Ni和Al在冲击加载下能够发生化学反应，生成Ni-Al金属间化合物，因此，在Al-PTFE中加入Ni颗粒，在提高材料强度和密度的同时，必定也会提高材料的能量密度，增强材料的毁伤效果。本文通过模压烧结工艺，制备了不同配比的Al-Ni-PTFE试件，通过准静态压缩实验和毁伤打靶实验，对Al-Ni-PTFE反应材料的准静压力学响应与毁伤性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 试件制备

材料：PTFE（平均粒径25μm，上海三爱富新材料股份有限公司）；Al（平均粒径1~2μm，湖南金天铝业高科技股份有限公司）；Ni（平均粒径2μm，上海乃欧纳米科技有限公司）。由于组分之间能够互相反应，因此在设计配方时，以Al与PTFE的化学平衡配比为基础，加入一定量Ni的同时，减少相应量的PTFE，利用先反应的Al-PTFE引发Ni和Al金属间化合反应，这样既使金属添加剂参与了反应，同时也提高了活性材料的能量释放速率。实验样品及配方如表1所示。

表1 实验样品及配方 (%)

Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

将称取好的原料置于适量乙醇溶液中，机械搅拌20min后放至真空烘箱中干燥烘干，将干燥后的粉末材料置于压制模具内，使用FLS30T液压机压制得到用于准静态压缩实验Φ10mm×10mm的圆柱形试件；同时，再称取适量原料压制用于打靶实验的球缺型药型罩，药型罩口径30mm，厚度2mm。为使试件具有一定强度，需将其置于真空炉中烧结，设置升温速率90℃·h-1，烧结温度360℃，烧结时间6h，降温速率50℃·h-1。打靶实验中，利用电雷管引爆主装药，驱动药型罩撞击钢板。图1为反应药型罩毁伤元装药结构及组件实物图。毁伤元主要由尼龙塑料壳体、反应材料药型罩、缓冲层以及主装药组成。主装药为压装均匀的C4塑胶炸药，质量15g。

图1 反应药型罩毁伤元装药结构及组件实物图

1.2 实验过程

使用CMT5105微机控制电子万能试验机进行准静态压缩实验，压头行进速度为6mm·min-1，对应应变率为10-2s-1，实验环境温度25℃。为验证实验结果的可靠性，对每一类试件进行3次重复性实验，并记录的应力应变数据。图2为毁伤打靶实验现场布置图。

实验所用的目标靶板为304不锈钢板，厚度3mm和10mm，药型罩与靶板距离为6cm，使用高速摄影仪全程记录实验过程。

2 结果与讨论

2.1 准静态压缩实验

图3为6类试件准静态压缩下的真实应力应变曲线，表2为6类试件的准静压力学性能参数。

表2 不同配比的Al-Ni-PTFE试件准静压力学性能参数

Tab.2 Mechanical property parameters of Al-Ni-PTFE specimens with different ratios under quasi-static compression

由图3、表2可以看出，随着Ni含量的增加，材料的强度呈现先增后减的趋势，当Ni的体积分数为10%时，材料的应变硬化模量和压缩强度达到最大，分别为51.35MPa和111.41MPa，当Ni的体积分数小于30%时，材料在压缩过程中经历弹性变形和塑性变形，并且在屈服后发生应变硬化现象；当Ni的体积分数大于30%时，材料达到屈服强度后直接失效。此外，材料的失效应变随Ni含量的增大单调减小，不加Ni时达到最大值2.04，表明随Ni含量的增大，材料由延性转变为脆性。

2.2 毁伤打靶实验

点火后，6类药型罩在主装药的爆炸驱动下均能有效贯穿3mm的钢板。因6类药型罩撞击钢板过程相似，图4给出了高速摄影记录的3#药型罩撞击钢板的反应过程。由图4可以看出，药型罩撞击钢板后，在其后方出现了明显的反应区，这一方面说明药型罩具备足够的强度击穿钢板，另一方面说明药型罩在爆炸加载作用下未发生反应，而是在击穿钢板后发生反应，这一性能表明该材料具备较高的军事应用价值。药型罩撞击钢板后发生的反应主要有：

表3为6类药型罩撞击3mm钢板后的毁伤效果，图5对比了1#和3#药型罩对3mm钢板的毁伤效果图。

图5 1#药型罩和3#药型罩对3mm钢板的毁伤效果图

表3 6类药型罩撞击3mm钢板后毁伤效果

Tab.3 Damage effect of six kinds of liners impacting on 3mm steel plate

由图5可以看出，药型罩击穿钢板后背面出现花瓣式外折，表明该类型的反应材料药型罩具备较好的扩孔效应，表3中6#药型罩毁伤效果最弱，贯穿孔径最小，仅为1.7cm，而1#药型罩即不添加Ni的Al- PTFE反应材料毁伤效果最好，贯穿孔径最大，可达4.9cm，说明该药型罩击穿钢板时有更多的活性碎片发生反应释放出能量。从该组实验可以看出，随着Ni含量的增大，材料的毁伤效果随之减弱，结合准静态压缩实验中的力学性能分析，可分析该现象产生的原因为：对于Al-Ni-PTFE反应材料，虽然其强度高于Al-PTFE，但Ni和Al反应所需点火能量明显高于Al和PTFE，导致Al-Ni-PTFE反应材料的感度低于Al-PTFE的感度，当3#药型罩撞击钢板时，由于钢板厚度较薄提前被击穿，撞击能量无法引发Ni和Al反应，致使参与反应的活性破片减少，释放出的能量也随之减少，因此扩孔效果不如1#药型罩。为验证这一结论，另设计一对比实验，让6类药型罩撞击厚度为10mm的钢板。表4为6类药型罩撞击10mm钢板后的毁伤效果，可以看出，6类药型罩中，仅有3#药型罩可击穿10mm的钢板，孔径为1.5cm，图6即为3#药型罩对10mm钢板的毁伤效果图。分析该对比实验可以看出，由于3#药型罩的强度最高，可以击穿具有较大强度的10mm钢板，撞击能量足以激发Ni和Al发生反应，而其余5类药型罩因强度较低，不能击穿钢板。在实际应用中，对于不同的毁伤目标，可针对性设计不同配比的Al-Ni-PTFE毁伤元。

表4 6类药型罩撞击10mm钢板后毁伤效果

Tab.4 Damage effect of six kinds of liners impacting on 10mm steel plate

图6 3#药型罩对10mm钢板的毁伤效果图

3 结论

本文通过模压烧结工艺，制备了不同配比的Al-Ni-PTFE试件，通过准静态压缩实验和毁伤打靶实验，对Al-Ni-PTFE反应材料的准静压力学响应与毁伤性能进行了研究，结果表明：（1）在Al-PTFE中加入Ni颗粒会对材料的力学性能产生显著影响。随着Ni含量的增加，材料由延性转变为脆性，材料强度呈现先增后减的趋势，当Ni的体积分数为10%时，材料的应变硬化模量和压缩强度达到最大，分别为51.35MPa和111.41MPa。（2）对于3mm钢板，材料的毁伤效果随Ni含量的增大而减弱，Al-PTFE的毁伤效果最好，贯穿孔径可达4.9cm；对于10mm钢板，Ni体积分数为10%的Al-Ni-PTFE的毁伤效果最好。（3）在实际应用中，对于不同的毁伤目标，可针对性设计不同配比的Al-Ni-PTFE毁伤元。

[1] Daniel B D, Richard M T, Benjamin N A. Reactive material enhanced projectiles and related methods: United States, 20080035007[P]. 2008-02-14.

[2] Wang H, Zheng Y, Yu Q, et al. Impact-induced initiation and energy release behavior of reactive materials[J]. Journal of Applied Physics, 2011(110): 074 904-1-074 904-6.

[3] 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): 1 048-1 056.

[4] 冯彬,方向,李裕春,等. 10-2s-1压缩应变率下Al-Teflon的反应现象[J].含能材料,2016,24(06):599-603.

[5] Feng B, Li Y C, Wu S Z, et al. A crack-induced initiation mechanism of Al-PTFE under quasi-static compression and the investigation of influencing factors[J]. Materials & Design, 2016, 108(15):411-417.

[6] Wu J X, Fang X, Gao Z R, et al. Investigation on mechanical properties and reaction characteristics of Al-PTFE composites with different Al particle size[J]. Advances in Materials Science & Engineering, 2018 (7):1-10.

[7] Cai J, Nesterenko V F, Vecchio K S, et al. The influence of metallic particle size on the mechanical properties of polytetraflouroethylene-Al–W powder composites[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(3):031 903-1-031 903-3.

[8] Herbold E B, Nesterenko V F, Benson D J, et al. Particle size effect on strength, failure, and shock behavior in polytetrafluo roethylene-Al-W granular composite materials[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 104(10):103 903-1-103 903-11.

[9] Yu Z S, Fang X, Gao Z R, et al. Mechanical and reaction properties of Al/TiH2/PTFE under quasi-static compression [J]. Advanced Engineering Materials, 2018(1800019):1-6.

[10] Eakins D, Thadhani N N. Shock-induced reaction in a flake nickel + spherical aluminum powder mixture[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 100(11):765-398.

Study on the Quasi-static Compression Mechanical Response and Damage Performance of Al-Ni-PTFE Reactive Materials

WU Jia-xiang, FANG Xiang, LI Yu-chun, WANG Huai-xi, REN Jun-kai, ZHANG Jun

(College of Filed Engineering, Army Engineering University, Nanjing, 210007)

To investigate the effect of Ni as additive on the mechanical properties and reaction characteristics of Al-PTFE reactive materials, Al-Ni-PTFE specimens with different equivalence ratio were prepared by mold sintering method. The quasi-static compression test and damage shooting test were carried out, to study the quasi-static compression mechanical response and damage performance of Al-Ni-PTFE reactive materials. The results show that with the increase of Ni content, the material changes from ductility to brittleness, and the strength of Al-Ni-PTFE specimens increase firstly and then decrease. When the volume fraction of Ni is 10%, the strain hardening modulus and compressive strength of the material reach the maximum, which are 51.35 MPa and 111.41 MPa, respectively. In the damage shooting test, Al-PTFE has the best damage effect for 3mm steel plate, and Al-Ni-PTFE with Ni volume fraction of 10% has the best damage effect for 10mm steel plate. In practical applications, different ratios of Al-Ni-PTFE damage elements can be designed for different damage targets.

Reactive material；Al-Ni-PTFE；Mechanical response；Liner；Damage effect

1003-1480（2019）01-0034-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.009

2018-08-21

吴家祥（1995 -），男，在读硕士研究生，主要从事反应材料制备及反应机理研究。

国家自然科学基金（51673213）。