氟聚物基活性材料动态压剪实验研究

葛超， 曲卓君， 王晋， 胡蝶， 王海福

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081)

0 引言

氟聚物基活性材料是一类以含氟聚合物、活性金属为基础组分，添加其他功能组分，经混合、冷压、烧结等工艺制备而成的含能材料，具有高机械强度、高能量密度、高钝感安全的典型特征。通常情况下，处于惰性亚稳态，但在高应变率强冲击加载下，氟聚物基体和活性金属间会发生化学反应，快速释放大量化学能，导致材料整体发生爆燃。以上独特材料特性和动力学响应行为，使氟聚物基活性材料应用于杀爆战斗部破片、聚能战斗部药型罩、侵彻战斗部杆芯等毁伤元，可通过动能与爆炸化学能时序联合毁伤机理和先穿后爆毁伤模式，为大幅提升战斗部毁伤威力开辟新途径。

针对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性材料，基于动/静态压缩实验、跨尺度数值仿真等手段，改变材料配比、制备工艺，国内外学者已开展了较为系统研究。但作为典型聚合物基复合材料，在表征其力学性能时，动态加载下的温度效应扮演着重要重要角色，尤其是应用于毁伤元作用目标高应变率加载条件下，温度及热效应对材料力学性能的影响，更是氟聚物基活性材料设计、工程应用亟需解决的关键问题。

本文针对典型PTFE/Al(质量分数73.5%/26.5%)氟聚物基活性材料，开展不同应变率、不同温度下的准静态、动态压缩实验；基于不同预设剪切带宽度的帽状试样，开展不同应变率下的动态压剪实验，系统分析氟聚物基活性材料力学特性，为氟聚物基活性材料设计及应用提供支撑。

1 实验方法

1.1 材料制备

PTFE/Al(质量分数73.5%/26.5%)活性材料制备过程主要包括组分混合、模压成型、烧结硬化3个步骤。首先，在50 ℃真空条件下，对PTFE和Al粉干燥24 h，充分干燥的组分粉体随后通过三轴剪切混合设备进行干混，获得均匀性良好的组分混合粉体。然后，在70～80 MPa压力下，通过13 mm×13 mm 模具对组分混合粉体进行初步模压，保压时间10 min，并进一步在220～250 MPa压力下，对初步模压成型的材料试样进行冷等静压制10 min，获得模压成型试样。最后，在惰性氛保护下，通过高温烧结设备，经一定升温、保温、降温历程，获得烧结硬化氟聚物基活性材料试样。烧结温度时间历程曲线如图1所示，材料试样如图2所示。

图1 烧结温度时间历程曲线Fig.1 Time history of the sintering cycle

图2 PTFE/Al活性材料试样Fig.2 PTFE/Al specimens

1.2 准静态及动态压缩实验

PTFE/Al活性材料准静态力学性能测试参照 国家标准GB/T 1039—1992，在标准实验室环境条件下(温度 23 ℃±2 ℃，相对湿度30%～40%)进行测试，试样采用标准尺寸10 mm×10 mm，加载速度为0.6 mm/min，对应加载应变率为0.001 s。

(1)

(2)

(3)

式中：、、分别为压杆弹性模量、声速和横截面积；为预设剪切带截面积，通过剪切带材料圆环内、外截面积取平均值计算；()、()分别为透射和反射应变；为试样厚度。

1.3 动态压剪实验

PTFE/Al活性材料动态压剪实验基于SHPB测试系统和帽状试样开展。通过在试样中预设模拟剪切带，动态加载条件下，模拟剪切带内材料将处于纯剪状态。实验中，帽状试样上端直径=5 mm，高度为=4 mm，底端外径=10 mm，底端高度=3 mm；剪切带高度=3 mm，预设宽度分别为500 μm、300 μm、100 μm，对应试样底端内径分别为60 mm、56 mm和52 mm。3种剪切带宽度的试样分别表示为S1、S2和S3，如图3所示。

图3 帽状试样结构及实物Fig.3 Structure and photo of the hat-shaped specimens

(4)

(5)

(6)

由于氟聚物基活性材料动态加载条件下可能产生点火反应，因此设计箱体进行防护，同时进行试样回收。动态压缩及压剪测试过程通过高速摄影系统记录，测试后回收试样微观结构及形貌通过扫描电镜(SEM)进行表征。动态压缩及压剪实验方法如图4所示。图4中()为入射应变。

图4 动态压缩及压剪实验方法Fig.4 Configuration of dynamic compression and compression-shear tests

2 准静态力学特性

针对PTFE/Al活性材料试样，开展3组准静态压缩力学性能测试，准静态真实应力- 应变曲线如图5所示。从图5中可以看出，准静态压缩条件下，材料变形可分为两个主要阶段：弹性变形阶段和塑性变形阶段。在弹性变形阶段内，应力随应变近似线性快速上升，可通过弹性模量表征。弹性变形末段材料发生屈服，随后进入塑性变形阶段，应力随应变上升减缓，体现出一定应变硬化效应，可通过硬化模量表征。至压缩至真实应变1.2，应力- 应变曲线未发生下降，表明材料未发生显著破坏失效，材料准静态力学性能参数列于表1。

图5 PTFE/Al准静态压缩应力- 应变曲线Fig.5 Quasi-static stress-strain curves of PTFE/Al

表1 PTFE/Al 准静态力学参数

3 动态压缩力学特性

不同应变率及温度条件下的PTFE/Al活性材料动态应力- 应变曲线分别如图6(a)和图6(b)所示。在应变率3 600～7 500 s范围内，应力- 应变曲线均呈典型弹塑性特征，由弹性阶段、塑性阶段和卸载阶段组成。在弹性阶段，不同应变率下曲线基本重合，且屈服点接近。材料屈服后，应力随应变快速升高，体现出应变硬化效应。同时，应变率越高，材料强度越高，塑性段应力应变曲线斜率越大，即硬化模量越大，表明材料具有显著应变率硬化效应。

图6 PTFE/Al动态压缩应力- 应变曲线Fig.6 Dynamic compression stress-strain curves of PTFE/Al

加载应变率4 000 s，温度分别为20 ℃、100 ℃、150 ℃和200 ℃条件下，随温度升高，材料屈服强度、抗压强度、硬化模量等力学参量均显著下降，表明PTFE/Al活性材料具有显著的热软化效应。

4 动态压剪力学特性

在剪切应变率分别为21 000 s和31 000 s条件下，S1试样动态变形过程如图7所示。入射脉冲传播至压杆/试样端面后，部分入射波传入试样并对试样进行加载。随入射波传至试样上端圆柱上表面，预设剪切带内的材料开始发生纯剪变形。进一步压缩作用下，剪切带内剪应力集中及变形愈发显著，局部温升及变形导致材料发生破坏，同时试样下端圆柱发生镦粗变形。加载应变率进一步增加条件下，剪切带内热效应及温升局部化将进一步加剧，材料快速失效破坏将导致帽状试样上端被整体剪切脱落，下端碎裂飞散。不同加载应变率下，帽状试样变形及破坏情况如图8所示。

图7 S1试样动态变形过程Fig.7 Deformation process of S1 specimen

图8 不同应变率下帽状试样变形及破坏情况Fig.8 Deformation and failure of hat-shaped specimens under different strain rates

动态压剪条件下，3种不同剪切带宽度PTFE/Al活性材料试样剪切应力- 应变曲线如图9所示。从图中可以看出，在不同加载条件下，剪切应力- 应变曲线均呈现相似变化趋势，剪切应力首先随剪切应变快速升高至最大值，随后快速下降，且可划分为弹性段、塑性段、失效段3个阶段。对S1试样，弹性段基本重合，但对S2和S3试样，弹性段散布逐渐增加，主要由预设剪切带宽度差异导致。弹性变形后，3种试样经短暂塑性变形，在高应变率剪切加载下，应力- 应变曲线快速下降至最低值。随后剪切应力- 应变曲线又有所上升，主要是由压杆与帽状试样下端短柱肩部接触造成。随加载应变率增加，材料剪切强度增加，表明PTFE/Al活性材料有剪应变率增强效应。同时对比可知，S3试样应力- 应变曲线散布及振荡最为显著，主要是由S3试样预设剪切带宽度最小，动态加载下局部失稳变形及热效应导致。剪切应力- 应变曲线与试样动态响应对应关系如图10所示。在剪应变率31 000 s条件下，随预设剪切带宽度减小，材料剪切失效应力、应变均显著减小，主要原因在于，PTFE/Al活性材料热传导系数低，预设剪切带宽度越小，动态加载下局部变形导致的绝热温升越显著，体现了聚合物基复合材料力学性能的尺寸效应。PTFE/Al剪切材料参数列于表2。

图9 PTFE/Al动态压剪应力- 应变曲线Fig.9 Shear stress-strain curves of PTFE/Al

图10 应力- 应变曲线与试样变形对应关系Fig.10 Specimen deformation and the corresponding shear stress-strain curve section

表2 PTFE/Al动态剪切材料参数

不同加载应变率、不同温度下动态压缩、压剪测试所得PTFE/Al材料强度对比如图11所示。对动态压缩而言，随应变率增加，材料抗压强度显著增加。对比之下，随测试温度从20 ℃升高至200 ℃，材料抗压强度显著降低。对于帽状试样压剪测试而言，预设剪切带宽度一定时，剪切应变率增加，材料剪切失效强度增加，但随预设剪切带宽度减小，材料整体剪切破坏强度显著降低。以上对比均表明，氟聚物基活性材料是一种典型具有应变率硬化效应、温度软化效应的聚合物基复合材料。在力学性能尺寸效应影响下，预设剪切带宽度越小，高应变率动态加载下局部热效应及热软化效应越显著，从而导致材料剪切强度不断减小。

图11 不同测试条件下PTFE/Al抗压强度Fig.11 Compressive strength of PTFE/Al under different test methods

5 细观结构分析

动态压剪实验后，选择帽状试样失效破坏及断口处4个位置，通过SEM进行表征，如图12所示。首先，观察试样断口位置可发现3类典型特征：沿剪切方向同向排布的条状PTFE基体、未变形的金属铝颗粒和致密的PTFE纤维网络。初始加载阶段，在压缩波作用下，帽状试样上端与下部圆柱间产生相对运动，随后导致试样在预设剪切带部位发生破坏，且沿加载方向形成排列整齐的条状PTFE。随加载过程继续，加载脉冲逐渐达到幅值，剪切带区域活性材料高速局部变形产生热量并不断累积，导致材料发生绝热温升，局部热软化最终导致材料进一步发生破坏并形成PTFE纤维网络。预设剪切带宽度越小，动态压剪作用下局部绝热温升、热软化效应越显著，材料剪切失效强度越低，与实验结果一致。

图12 预设剪切带破坏形貌Fig.12 Microscale structure of the fracture surface

从毁伤模式角度看，则主要包括氟聚物基体/金属颗粒脱粘和基体材料断裂破坏。但在图12中，仅可观察到少量氟聚物基体/金属颗粒脱粘现象，表明氟聚物基体材料破坏是导致材料整体破坏的主要原因。

6 结论

本文通过准静态压缩、不同应变率和不同温度动态压缩、基于帽状试样的动态压剪实验，系统分析了PTFE/Al活性材料动力学响应行为及力学性能研究。得出以下主要结论：

1)准静态(10s)及不同应变率(3×10～7×10s)、不同温度(20 ℃，100 ℃，150 ℃，200 ℃)条件下的动态压缩实验表明，PTFE/Al活性材料是一种典型的弹塑性材料，具有显著应变硬化、应变率强化和热软化效应。在20 ℃条件下，随应变率从3 600 s增加至7 500 s，材料抗压强度从 72.03 MPa 增加至114.85 MPa。在4 000 s应变率条件下，随温度从20 ℃升高至200 ℃，材料抗压强度从85.75 MPa降低至42.16 MPa。

2)基于帽状试样的动态压剪实验表明，预设剪切带宽度从500 μm减小至100 μm，动态加载下，预设剪切带内局部热效应及温升影响效应愈发显著，材料剪切强度从49.45 MPa降低至19.80 MPa，且剪切应力- 应变曲线振荡及散布增加，体现出氟聚物基活性材料力学性能的尺寸效应。

3)动态剪切加载后，在预设剪切带上端和下端可观察到由初始剪切剪切加载造成的沿加载方向排布的条状PTFE，在预设剪切带中部可观察到由局部温升导致的致密PTFE纤维网络，证明了氟聚物基活性材料力学性能的尺寸效应，揭示了预设剪切带宽度对材料剪切强度影响机理。