Ti/W/PTFE含能破片对金属靶毁伤研究

仝 远，王在成，蔡尚晔，胡万翔，李姝妍

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081)

聚四氟乙烯(PTFE)基含能材料是一类新型的高能复合材料，其特点是在常规条件下保持惰性，但在强冲击载荷作用下会产生燃烧和类爆轰效应[1]。由含能材料制成的含能破片不仅具备惰性破片的动能侵彻能力，同时还能通过自身的化学反应在靶后释放能量形成后效毁伤，实现对目标的高效打击。

影响含能材料力学性质和释能特性的因素包括金属添加剂种类、基体种类、组分配比和加工工艺等[2]，其中金属添加剂种类是决定含能材料性质的关键条件。Daniel等人研究发现含能材料配方中金属添加剂可以选择Al、Ti、B、Mg等材料[3]。肖艳文、徐峰悦、黎勤等人对Al/PTFE配方的含能破片终点毁伤效应进行研究[4-6]。由于Ti具有密度、反应热值及热导率均较高的特点，且Ti与PTFE反应生成的产物沸点较低，多以气体形式存在，更利于反应对外膨胀做功，因此Ti/PTFE含能破片具有很好的应用前景，而目前对该配方含能破片的终点毁伤效应研究较少。

本文通过实验研究Ti/W/PTFE含能破片对双层金属靶的毁伤效应，分析了冲击速度和迎弹靶材料对含能破片靶后毁伤效应的影响，对比了含能破片和钢破片的穿靶能力和后效毁伤效果，并对靶后释能量进行了计算。研究结果对含能破片毁伤效应评估具有指导意义。

1 实验方案

1.1 材料制备

实验制备质量比为6.5/80/13.5、密度为7.8 g/cm3的Ti/W/PTFE含能破片。W粉的添加是为了提高破片的密度、机械强度及侵彻能力，其在含能破片中起到刚性支撑点的作用[7]。制备过程为：将各类原材料按照质量比均匀混合，然后将粉末倒入塑料容器中，加入适量的无水乙醇并放入混料机中进行湿混，再放入真空干燥箱中烘干。干燥后将材料进行冷压成型，在氩气环境中进行烧结，最后通过机械加工获得尺寸为Φ9×9mm，质量为4.46 g的含能破片。制成的含能破片和子弹试件如图1所示。

图1 含能破片及子弹试件

1.2 实验方法

1.2.1弹道碰撞实验

弹道碰撞实验装置如图2。尺寸为Φ9×9 mm的含能破片和钢破片由12.7 mm的弹道枪发射，枪口距离迎弹靶 5 m，通过调节发射药量来改变破片初速。破片撞击靶板的速度通过靶网测得。双层靶分为6 mm铝/3 mm铝和6 mm钢/3 mm铝两种，间隔40 cm。利用高速摄像机记录不同速度含能破片侵彻双层靶过程中火光的变化情况。

图2 弹道碰撞实验装置示意图

1.2.2密闭容器实验

密闭容器实验装置如图3所示。含能破片由弹道枪发射，以一定速度撞击密闭容器。密闭容器的前靶板分别使用6 mm铝靶和6 mm钢靶，容器尺寸为Φ200×600 mm，侧壁设置有一个直径为160 mm的观察孔。利用放置在罐壁处的应变式压力传感器测得容器内部压力变化，并利用高速摄像机观察破片在容器内反应的火光状态。

图3 密闭容器实验装置示意图

2 实验结果分析

表1为含能破片以不同速度侵彻6 mm铝/3 mm铝金属靶后得到的数据。其中后效靶毁伤面积指的是覆盖靶板上所有穿孔区域得到的总面积。从表1可以看出，含能破片均能贯穿迎弹板，且穿孔直径略大于破片尺寸。而后效靶的穿孔直径受破片速度影响较大：当速度为645 m/s时，含能破片未能贯穿后效靶；当速度为951 m/s时，能够贯穿后效靶，但穿孔直径小于破片直径；当速度为1 249 m/s时，后效靶上最大穿孔的直径大约为破片直径的3倍。

表1 破片对6 mm铝/3 mm铝双层靶的穿孔尺寸

图4所示为不同速度含能破片侵彻迎弹靶图片，图5为含能破片侵彻后效靶图片。对比前后靶板的穿孔结果，可以发现含能破片主要通过动能侵彻作用对迎弹靶造成冲塞破坏；而靶后剩余破片的动能侵彻和爆燃反应联合作用，可以对后效靶造成更强烈的毁伤，表现为隆起及裂纹等结构性破坏。与钢破片相比，含能破片穿过迎弹靶后，孔内有明显的反应痕迹，出现熏黑现象；在撞击后效靶时，正面有明显的烧蚀现象，且3#中被穿透的后效靶产生了花瓣型破坏，破孔直径也大幅提高。在3#实验结果中，后效靶出现了明显的裂纹现象，这是因为后效靶在被贯穿时，靶板中心在爆燃压力载荷的作用下发生隆起变形，使得贯穿孔周边的微裂纹发生拓展，造成后效靶的结构性破坏。实验现象表明相较于钢破片，含能破片在侵彻金属靶时产生的化学反应使其具有更强的后效毁伤能力。

图4 迎弹靶穿孔照片

图5 后效靶穿孔照片

含能破片撞击6 mm铝/3 mm铝靶的侵彻和反应过程如图6所示。在0.2 ms时刻，破片撞击迎弹靶时，部分破片冲击引发化学反应，发出较强火光；在1～5 ms时间段内，破片贯穿迎弹靶，且火光亮度增强，范围扩大。火焰的形状由刚开始的锥形逐渐向轴向和径向扩展。由于Ti与PTFE反应产生大量气体，推动熔融态物质向外发散，可以在图中看到明显的火星喷溅的现象，且持续时间大于15 ms；随后火光逐渐变弱，可以看到靶板周围产生很多白烟，整个反应过程结束。

在1#实验图片中，可以看出迎弹靶上的火焰主要扩大在平行于靶板平面的方向，具有亮度低，覆盖范围小，持续时间短的特点；随着破片速度的提高，冲击压力上升，稀疏波效应减弱，同时破片的反应度增加，导致火焰持续时间的和亮度范围的增加，同时能够观察到火光更多的汇集在垂直于靶板方向。

图6 侵彻6 mm铝/3 mm铝靶高摄图片

表2为含能破片以不同速度侵彻6 mm钢/3 mm铝金属靶后的数据。对比含能破片与钢破片的实验结果，含能破片侵彻钢靶的穿孔直径有所增加。因为含能破片在侵彻钢靶板的过程中，由于其强度较低，导致破片在侵彻过程中塑性变形和墩粗效果更明显，使得扩孔直径增大；此外，含能破片在穿靶过程中会发生一定的化学反应产生气体，使钢靶产生径向膨胀扩孔。但是，含能破片均没能穿透后效靶。虽然加入W粉可以提高破片的力学性能[8]，但由于PTFE基体与金属的力学强度差距较大，含能破片在穿透迎弹靶后，会发生较大程度的碎裂，只有少部分可以接触到第二层靶板，减弱了它对后效靶的侵彻能力及靶后毁伤效果。

表2 破片对6 mm钢/3 mm铝双层靶的穿孔尺寸

图7为含能破片侵彻迎弹靶图片，图8为含能破片侵彻后效靶的实验图片。从图7、图8可以看得出，在迎弹靶和后效靶上均出现了熏黑现象，穿孔模式为冲塞型穿孔。随着侵彻速度的提高，后效靶的熏黑程度也随之增加。观察到熏黑范围明显变大，说明破片在贯穿钢靶板后发生了较大程度的破碎，形成碎片云，同时在后效靶上留下很多凹坑。

含能破片侵彻6 mm钢/3 mm铝靶的照片如图9。对比6 mm铝靶的侵彻实验(图6)，含能破片对6 mm钢靶的侵彻和靶后反应过程相类似。但是在穿透钢靶之后，含能破片的靶后反应程度，即火光亮度、范围和持续时间，均不如对铝靶的后效反应程度强烈。观察7#高摄图片可以发现，在10 ms时刻，含能破片又出现明显的后效反应现象：在撞击迎弹靶时，含能破片受到第一次冲击加载，部分发生化学反应，之后反应逐渐减弱。接着撞击后效靶时，首先发生剩余破片的碰撞碎裂，由于没能穿透后效靶，碎片向靶板反向发散，产生半椭圆轮廓火星。紧接着后效靶表面开始出现明亮火光，并逐渐向外扩散，剩余碎片开始发生反应并伴随产生少量白色烟雾，并且火光范围和亮度明显强于0.2 ms时刻。说明含能破片撞击后效靶时，受到第二次冲击加载，能够发生更充分的反应。如果增强含能破片侵彻能力，使更多质量的剩余破片以较大的剩余速度撞击后效靶，可以获得更好的后效毁伤效果。

图7 迎弹靶穿孔照片

图8 后效靶穿孔照片

图9 侵彻6 mm钢/3 mm铝靶高摄图片

含能破片以不同速度撞击以6 mm铝靶和6 mm钢靶作为前靶板的密闭容器，实验结果如表3所示。由表3中数据得出，含能破片在贯穿前靶板时引发化学反应释放大量热量，在密闭容器内部产生超压。当迎弹靶为同一种材料时，压力峰值随含能破片速度的提高而上升。说明随着撞击速度提高，含能破片反应程度更剧烈，后效毁伤能力更强。也验证了弹道碰撞实验中对后效靶的毁伤情况和高摄拍摄的火光现象。对比铝靶和钢靶两类前靶板，含能破片在铝靶后形成的超压是钢靶后的5倍以上。

表3 实验方案及测试结果

含能破片撞击密闭容器的高摄图片如图10和图11所示。含能破片贯穿前靶板后，在密闭容器内部产生了持续明亮的火光。对比含能破片撞击铝靶和钢靶的火光情况，发现含能破片贯穿铝靶后，产生的火光亮度更高，持续时间更长，这也与撞击双层金属靶的实验结果吻合。由于含能破片强度较低，在侵彻钢靶板时发生较大程度的破碎，只有少量破片碎片进入容器中；此外，在贯穿钢靶板时破片的动能损耗更大，当剩余破片以较小的速度撞击到容器内部金属板时，冲击引发化学反应的几率也更小。这些原因导致了含能破片撞击6 mm钢靶时的后效反应情况并不理想。

图10 含能破片碰撞6 mm铝靶图片

图11 含能破片碰撞6 mm钢靶图片

密闭容器侧壁上的传感器记录的破片撞击的超压-时间曲线如图12所示。由图12可知，密闭容器内部压力在5～20 ms时间段上升至最大值。考虑到传感器测得的是由罐内空气受热膨胀后产生的压力，因此含能破片的化学反应是在更短的时间内完成。在侵彻双层金属靶的实验中，看到火光在1～5 ms的时间段较为强烈，由此推断在毫秒甚至微秒的时间量级内，含能材料即可完成冲击引发的化学反应。

图12 破片撞击密闭容器的超压-时间曲线

根据1#实验结果，当着靶速度较低时，含能破片发生微弱反应。这表明在1#实验的速度条件下，处于激发Ti/W/PTFE含能破片发生反应的阈值附近。含能材料在冲击条件下发生反应是依靠冲击波作用下形成的高温高压环境，而诱发材料发生化学反应的能量来自于撞击时的冲击能量，因此冲击能量的大小是判断含能材料能否发生化学反应的依据。根据一维脉冲理论，冲击波传入含能破片中的能量E[9]为：

E=Pupτ

式中：P为撞击压力，up为破片中粒子的速度，τ为冲击波加载时间。根据一维碰撞的连续性条件和动量守恒关系，有：

式中：v1和v2分别是破片和靶板的碰撞速度，(ρ0c0)1和(ρ0c0)2分别是破片和靶板材料的声阻抗，s1经验参数，l是破片厚度。根据上述关系式，得到不同速度破片在撞击迎弹靶时刻的撞击压力和冲击能量值如表4所示。

表4 破片冲击条件计算值

计算结果表明破片撞击钢靶板时撞击压力和能量输入均大于撞击铝靶板时的情况。观察高摄拍到的实验图片发现，在起始时刻，当破片接触到迎弹靶时，部分破片受冲击发生化学反应，撞击钢靶板的火光亮度和范围均大于铝靶板，与上文的计算结果相吻合。而在1 ms时刻，铝靶板的火光反而超过钢靶板。分析认为，一方面是因为在侵彻钢靶板时，能量损失更大，含能破片产生的一部分化学能被消耗；另一方面，铝板在破片高速侵彻条件下，产生局部高温并与环境中的氧气发生反应，增强了火光亮度。

观察侵彻双层铝靶的高摄图片，发现火光的范围和亮度均在撞击第二层铝靶时更为强烈。参照前文所述激发反应的判据，在撞击后效靶时，由于破片速度的下降，撞击压力和冲击能量都会减少。但反应反而更剧烈，说明二次加载能明显提升含能材料的反应程度。在穿透迎弹靶后，含能破片发生了一部分的质量损失，但是贯穿迎弹靶后的破片产生了破碎现象和冲击能量的积累，在撞击后效靶时可以更充分的发生化学反应。7#的实验现象也证实了上述分析。

对比1#、2#和3#实验现象可以看出，提高破片的撞击速度，火光现象更强，靶板的扩孔直径增大，熏黑现象也更明显。破片速度改变了冲击条件，使含能破片反应程度加强，从而增强毁伤效果。目前研究认为含能材料的反应引发条件是机械剪切作用或者是冲击温升[10]。实验现象表明，如果提高加载压力或加载应变率，可以使含能材料的反应更迅速，更完全。

含能破片撞击密闭容器时，在靶后发生化学反应释放大量化学能，使容器内气体迅速升温膨胀，导致容器内压力增大。由于破片贯穿靶板形成泄压孔，容器内高温高压气体从小孔排出，导致容器内压力迅速降低，经过200～300 ms降至环境压力。由此可以定量得到含能破片在靶后形成的超压值，对含能破片的后效毁伤能力进行评估。

根据测得的压力数据，由能量守恒关系和理想气体状态方程可以求得含能破片的释能值[11]。假设容器内气体为理想气体，忽略能量损耗，则有：

ΔQ=ΔE

式中：ΔQ为容器内气体热增量，ΔE为含能破片反应产生的能量。

根据理想气体状态方程：

ΔP=Rρ(T2-T1)

R=Cv(γ-1)

式中：ΔP为容器内超压值，γ是容器内气体的比热比。

当容器内质量和体积恒定时，气体的能量增量为：

由上述关系得到含能破片在密闭容器内的释能量与超压之间的关系为：

式中，V是密闭容器空腔体积。

由上述方法计算得到Ti/W/PTFE含能破片在两种靶板的靶后释放能量值如表5所示。

表5 破片释放能量值计算结果

侵彻过程中，含能破片的化学能释放能够显著的增强对后效靶的结构性破坏。本文由实验得到了含能破片对后效靶的毁伤数据和靶后释能数据，且两者的变化趋势吻合。但靶后能量和毁伤模式之间的数学关系仍需进一步工作研究。

3 结论

1) Ti/W/PTFE含能破片能够穿透6 mm铝靶和6 mm钢靶。在贯穿迎弹靶后，发生剧烈反应并产生持续、明亮的火光。不同于钢破片对后效靶的冲塞破坏，含能破片对后效靶的毁伤模式包括动能侵彻和化学反应的联合作用，同时在靶后产生超压现象，增强毁伤效果。

2) 增加含能破片速度可以提高对后效靶的毁伤效果。在靶板条件相同的情况下，更高的侵彻速度可以使含能破片由冲击引发的反应更加充分，产生更强的靶后毁伤效果。

3) 在撞击后效靶时，由于破片在贯穿迎弹靶后发生结构碎裂，同时在穿靶时有冲击能量累积，当破片碎片撞击到后效靶受到二次加载时，反应会更加充分，强化对后效靶的毁伤效果。