金属型含能材料力学行为研究进展*

王存洪，曹玉武，陈 进，孔 霖，孙兴昀

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

近年来，研究人员发现了一种具有高毁伤性能的含能材料，这种材料相比惰性材料具有两方面优势：(1)一般条件下，化学反应呈钝性、力学强度好，可用作结构件；(2)在冲击载荷作用下，可诱发组分间或组分与环境间的化学反应，产生燃烧/爆炸，同时释放出大量能量，既具备类似惰性材料的动能侵彻能力，又具有燃烧/爆炸能力。相关研究[1]发现，由含能材料制备的破片的毁伤威力和杀伤半径分别是惰性破片的5 倍和2 倍，显著提高了破片战斗部的毁伤威力，已经在破片战斗部等[2-3]武器装备中得到了广泛应用。

目前，研究者对含能材料进行了大量的研究，对其力学性能和冲击释能进行了深入了解，已经从制备工艺、反应机制以及冲击释能等方面进行了综述。如：张先锋等[4]从实验测试方法、作用机理、冲击诱发化学反应方法理论和数值模拟等方面对含能材料的作用特性进行了综述；叶文君等[5]从反应材料的组分、结构特点、制备关键技术以及反应材料各项性能指标等方面对氟聚物基含能材料进行了概述；陶玉强等[6]对含能材料制备技术进行了综述；陈鹏等[7]对金属/氟聚物反应材料研究进展进行了概述；汪德武等[8]对含能材料的冲击诱发化学反应机理、动力学以及相关效应的研究现状进行了综述；陈进等[9]对金属型含能破片在战斗部中的应用进行了综述。上述从含能材料制备技术、释能特性、反应机制及其在武器装备应用等方面进行了相关评述，但是缺乏含能材料力学性能研究方面的综述。

因含能材料种类多，应用范围广，本文中，仅对具有优异材料性能、巨大应用潜力的金属型含能材料的力学行为研究进行综述。因篇幅有限，主要对目前重点关注的Al/X（X 代表Ni、Nb、W、Ta、Fe）等金属型含能材料的研究进行梳理。首先，简单介绍制备工艺；其次，介绍力学性能测试系统；再次，介绍金属型含能材料的力学性能，主要包括静力学、动力学性能研究以及微观分析；然后，介绍理论和数值模拟；最后，对全文进行总结，并对后续进一步的研究进行展望，以期能促进金属型含能材料在实际工程中的广泛应用。

1 制备工艺

金属型含能材料的力学性能主要受制备工艺、材料成分、外界条件等的影响，其中制备工艺是决定材料力学性能的关键。因此，选择合适的制备工艺至关重要。随着制备技术的不断发展，目前已经存在多种成熟的工艺方法，主要包括积叠轧制法[10-11]、模压烧结法（冷/热压烧结）[12]、冷/热等静压法[13-14]、爆炸粉末烧结法[15]、动力喷涂法[16]、电沉积与热压复合法[17]等。表1 中列举了5 种典型的金属型含能材料及其制备工艺。

表1 典型金属型含能材料及其制备工艺Table 1 Typical metal type energetic materials and their preparation technologies

下面将从工艺流程、技术特点等方面对上述5 种主要的制备工艺进行简要介绍，并对技术特点及应用进行归纳总结。

(1)积叠轧制工艺。1998 年，Saito 等[10]正式提出了积叠轧制（accumulative roll-bonding,ARB）工艺，并用这一工艺成功将纯铝晶粒细化至1 µm 以下，工艺流程如图1(a)所示。第1 步，首先将初始板材切割成相同的2 块，然后对板材表面进行去油脂、打磨处理等；第2 步，将2 块板材新鲜表面接触叠合，并将2 块板材固定紧；第3 步，将叠合的板材先加热，而后进行轧制，在轧制力和金属的摩擦力作用下将2 块板材复合在一起；第4 步，重复以上3 步。轧制的原料一般为板材或箔片；在轧制过程中，原料受剪切力发生变形、断裂、复合，最终形成相分布均匀的复合材料；经过一定变形后，颗粒内晶粒大小可达纳米级，细晶强化作用比较明显，易获得高强度力学性能的复合材料。其中，影响轧制样品性能的因素包括轧制速率、轧制温度和原材料表面状态等。

图1 金属型活性材料制备工艺[10, 12, 21, 26]Fig.1 Preparation technologies of metallic active material[10, 12, 21, 26]

(2)模压烧结工艺。模压烧结包括冷压烧结和热压烧结。简单来说，冷压烧结工艺主要是在常温下压制成素胚，再烧结，而热压烧结工艺则是先将材料混合，然后在一定的温度和压力下烧结，最后再切割成样品，图1(b)为冷压烧结工艺装置及实物图[12]。模压烧结工艺易实现小件和批量生产，是金属型活性材料常用的制备技术，但是较难获得高致密度和高强度的样品，并且通过此工艺制备的材料力学性能会受压制压力、烧结温度和保温时间等工艺参数的影响。Xiong 等[18-19]采用模压成型制备了Al/Ni 等3 种复合材料，压制压强为850 MPa，材料的致密度分别达到94.3%、95.2%和 98.5%，未经烧结的材料压缩强度分别为266、114 和240 MPa。另外，如较高熔点的Ni、Fe、Ti 混合物，当温度达到它们的烧结温度时，Al 已经熔化而发生了反应，实际上该类复合材料在Al 熔化前就可反应[20]。因此，通过烧结较难提高该类材料的致密度和力学性能。

(3)爆炸粉末烧结工艺。爆炸粉末烧结工艺是利用炸药爆轰产生的能量，以冲击波的形式瞬间作用于金属或非金属粉末，在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种材料加工或合成的新技术，图1(c)为爆炸粉末烧结法装置图[21]。爆炸粉末烧结法作为一种新型材料加工技术，具有烧结时间短（一般为几十微秒）、作用压力高（可达0.1～100 GPa）等特征，制备的金属型含能材料具有力学强度高、致密性好等特性。但是，当冲击波的强度达到材料的反应阈值时会引起材料发生放热反应，导致材料提前反应，造成能量损失[22]。因此，在制备过程中，控制爆炸冲击波的强度，使其低于材料反应阈值，一直是爆炸粉末烧结工艺的技术难点。

(4)冷/热等静压工艺。冷等静压（cold isostatic pressing, CIP）工艺主要用于粉体材料成型。一般用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，工艺流程主要包括原料混合、模具制成胚体、冷等静压、烧结等。热等静压（hot isostatic pressing, HIP）工艺是将样品置于密闭容器中，在高温和各向同等压力的条件下制备出高致密度的样品[13]。该技术克服了冷等静压及粉末冶金工艺的缺点，相比于冷等静压工艺所需要的压力更低，可实现金属型活性材料的致密化，能够获得良好的力学性能，保持材料的能量特性，是制备纳米复合材料的一种有效工艺。其中，冷/热等静压工艺的基本原理及应用现状参见Atkinson 等[23]和姜卓钰等[24]的综述性文章。

(5)动力喷涂工艺。动力喷涂，也称为冷喷涂，最早由Alkhimov 等[25]提出，主要用于制备表面涂层，以改善材料的耐蚀、摩擦、隔热等性能，同时也可用于制备薄壁管形器件。为了获得较好的致密度和黏着性，喷速一般较高，达800 m/s[16]。其中，喷涂工艺参数是控制材料反应的关键因素，主要包括粉末驻留时间、基体温度、撞击速率等。粉末的高速撞击类似于样品的冲击实验，当冲击速度高于临界阈值时也会引起材料反应，工作原理如图1(d)所示[26]。粉末粒子在高速冲击条件下发生剧烈的塑性变形，可以使Al 粉等活性金属粉末表面的致密氧化层发生破碎，使新的组元表面接触。冷喷涂工作温度低于组分熔点，对喷涂粒子的热影响较小，避免了喷涂过程中组分之间发生反应[27]。相比于冷压工艺，冷喷涂过程中粉末可以在惰性气氛（He、N2）下进行加速，有效避免了粉末的氧化[27]，而且材料致密度高，沉积效率高，尤其适用于块体活性材料及形状复杂件的制备[28]。

除上述5 种主要的制备技术外，还存在高压扭转法[29]、物理气相沉积法[30]和挤出成型法[31]等技术。其中，Horita 等[32]采用高压扭转法制备了不同Ti 质量分数的Ti/Al 复合材料，其中Ti/3.2Al 的拉伸强度达400 MPa；Russell 等[31]采用包套热挤压工艺制备了80Al/20Ti、80Al2024/20Ti 棒材，其中，80Al/20Ti 拉伸强度达890 MPa。表2 中对主要制备工艺技术特点及其应用进行了归纳。

表2 主要制备工艺技术特点及其应用Table 2 Characteristics and applications of main preparation technologies

综上，制备金属型含能材料的工艺技术较多，但每种技术均有自己的局限性，如表2 所示。目前，热等静压工艺因易于控制，并且能制备出力学性能良好、致密度高的大样本材料而被广泛应用于块体材料制备；爆炸粉末烧结工艺因能制备出高密度、高强度材料而被用于小尺寸样品制备。因此，针对不同的工艺要求和材料性能，选择合适的制备工艺至关重要。此外，开发新的制备技术仍将是制备高密度、高强度金属型含能材料的研究重点。

2 力学性能测试系统

金属型含能材料在爆炸驱动作用下高速撞击目标时，会产生燃烧/爆炸现象，同时释放出大量能量，对目标既产生类似惰性材料的动能侵彻，又产生燃烧/爆炸的二次毁伤效果。其中，材料力学性能决定着侵彻能力，严重影响武器装备的毁伤能力，一直是研究人员关注的关键问题。为深入了解金属型含能材料的力学性能，研究人员设计了多种力学测试系统，主要分为静力学和动力学测试系统。

静力学行为即低应变率（ε˙≤1.0 s−1）情况下材料的力学行为，通常采用材料试验机进行材料静力学性能测试，实验技术成熟，此处不再赘述。相比静力学性能，动态力学性能才是金属型含能材料实际应用中考核的首要指标。因此，研究人员根据加载方式的不同，分别设计了低、中、高3 类应变率加载系统，包括摆锤实验系统[44]、落锤实验系统[45]、分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）[46]、泰勒（Taylor）杆[47]和脉冲加载实验系统[48]等。在低应变率（ε˙≤102s−1）研究中，一般采用摆锤实验系统和落锤实验系统；在中高应变率（1 02s−1≤ε˙≤105s−1）研究中，主要采用分离式霍普金森压杆和泰勒杆等实验技术，通过对样品在不同应变率情况下的应力-应变曲线的分析，得到材料的力学本构模型参数，并利用有限元模拟来验证参数的可靠性；在更高应变率（1 04s−1≤ε˙≤106s−1）实验中，研究者通常采用化爆飞片增压技术或气体炮高压技术得到含能材料的Hugoniot 相关参数和冲击压缩物态方程。下面主要对动力学测试系统及工作原理进行简单介绍。

落锤实验系统主要由提升机构、释放机构、测量系统和数据采集分析系统等组成，可进行中低应变率条件下的压缩实验[45]。该方法是通过改变落锤质量或落高，使落锤以不同的速度撞击压缩试件，经过分析落高、撞击速度和试件破坏结果之间的关系，研究材料的力学响应和破坏特性。

SHPB 系统主要由加载驱动系统、弹性压杆系统、信号测试和数据处理系统组成，如图2(a)所示。SHPB 技术要求准确测定撞击杆撞击输入杆时的末速度，当撞击杆撞击输入杆时，将会依次遮挡图2(a)中的两激光束，通过光电放大转换电路可以得到撞击杆通过两激光束的时间差Δt，由于两激光束的距离L已知，即可求得撞击杆的末速度v=L/Δt。其中，应变测量由粘贴在入射杆和透射杆上的电阻应变片、超动态应变仪等组成的应变测试系统完成，详细的系统要求和测试原理见文献[46]。

图2 力学性能测试系统[17,47-48]Fig.2 Mechanical property test systems[17,47-48]

Taylor 杆实验系统主要由发射装置、撞击杆、测速系统和刚性靶板等系统组成。如图2(b)所示[47]，先发射圆柱形弹体撞击刚性靶板，然后测量得到子弹变形前后的尺寸，最后结合理论分析得到材料的动态屈服应力，该技术是一种验证材料本构模型及参数的实验方法，也是评估数值分析软件的较理想的手段。

脉冲加载实验系统的主要加载方式有炸药驱动技术、轻气炮技术、激光加载技术、高能粒子束的能量沉积技术等。图2(c)为轻气炮脉冲加载平板撞击实验装置[48]，实验中利用轻气炮对弹托和金属飞片进行加载，飞片以一定的速度撞击入射层产生初始冲击波，冲击波依次通过入射层、传感器、材料试件、传感器、透射窗口，其中传感器用来记录输入和透射出试件的冲击波瞬态波形；根据加载条件、压力瞬态波形和试件尺寸参数来确定冲击波压力、冲击波速度等。

表3 对上述力学性能测试系统原理及特点进行归纳和总结。

表3 测试系统原理及特点Table 3 Principles and characteristics of test systems

目前，存在许多成熟的材料力学性能测试技术，能够实现不同应变率下金属型含能材料力学性能测试。在众多动力学测试方法中，SHPB 技术因操作方便、装置简单、加载信号易测易控等优点，成为了中高应变率条件下材料力学性能研究中最常用的实验方法[49]；轻气炮平板撞击技术因能精确控制加载条件，方便进行各种光、电等的测量，成为了实验室中广泛使用的高速加载实验手段[48]。

3 力学性能及其微观分析

基于上述实验测试系统，研究者分别对金属型含能材料的静力学性能和动力学性能进行了实验研究，开展了工艺参数、应变率、元素成分等对材料力学性能影响规律的研究，并且通过扫描电子显微镜等微观分析手段对材料微观性能进行了分析，揭示了影响材料力学性能的机制。

3.1 静力学行为研究

研究人员对金属型含能材料的静力学行为进行了大量实验研究，发现材料的制备工艺、元素成分及分布等对材料静力学性能有显著影响。

在制备工艺方面，徐涛等[50]对比了爆炸加载工艺与压制成型工艺对样品力学性能的影响，发现爆炸加载后Al/Ni 含能材料的密实度、维氏硬度、屈服强度和失效强度均有提升，相比于压制成型的样品，失效应力提升34%和52.2%；王比等[51]通过爆炸粉末烧结工艺制备了Al/W 含能材料，研究发现爆炸烧结后材料的致密度由原来的平均65%提高到98%，几乎接近理论值，所制备样品的最大抗压强度和失效应变分别达到288 MPa 和20%。可以发现，相比于压制成型工艺，爆炸粉末烧结法能显著提高材料的致密度及其力学性能。

在元素成分及其配比方面，Wei 等[52]研究了Al/Ni、Al/W、Al/Ta 等多种Al 基金属型含能材料在爆炸烧结后的静态力学性能，通过准静态应力-应变曲线（见图3）发现，Al/W 的压缩强度最小，约为240 MPa，Al/Ta 的压缩强度最大，约为450 MPa。Ren 等[53]对Al/Ni、Al/Ni/CuO 和 Al/Ni/MoO3等3 类Al/Ni 基金属型含能材料的静力学性能进行了测试，发现材料的屈服强度分别为(202±10)、(200±3)和(190±2) MPa。曹召勋等[54]对采用模压成型方法制备的3 种不同Ni 含量的Al/Ni 金属型活性材料的力学强度进行了测试，发现3 种材料在单轴压缩状态下的强度分别达到372、395 和264 MPa；通过微观分析得到，Ni 相由团聚分布变为均匀分布时，材料准静态压缩强度由264 MPa 上升到395 MPa，提高了40.9%。可以发现，相同工艺条件下元素成分以及配比均能对材料静力学性能造成显著影响。因此，选择合适的元素及其成分配比对制备高强度金属型含能材料至关重要。

图3 Al 基含能材料准静态应力-应变曲线[52]Fig.3 Quasi-static compressive stress-strain curves of Al-based energetic material[52]

此外，研究人员还研究了材料结构对其力学性能的影响，如Patselov 等[36]在一定温度和压力下，利用热压法制备了Al/Ti 含能材料，实验发现沿金属箔叠加方向的抗压强度达512 MPa；丁青云等[55]采用化学镀和热压复合法制备了微米级尺度的Al/Ni 多层含能材料，研究了层厚比对其组织结构、放热性能和力学性能的影响，发现原始层厚比为2/3 的Al/Ni 多层含能材料具有最高的能量密度和良好的强度及塑性，其抗拉强度、伸长率和抗弯强度分别达285.05 MPa、8.87 %和309.09 MPa，并且随着Al/Ni 原始层厚比从1/2 增大到1，抗拉强度和抗弯强度不断提高，塑性逐渐降低，但是界面分层现象不断加剧，这种现象主要是由材料成分和界面结构导致的。

综上，金属型含能材料的静力学行为会受制备工艺、元素成分及其配比等的影响，通过改变制备工艺、调节元素成分等方法可以改善材料的力学性能。目前，研究人员对金属型活性材料的制备工艺、元素成分及其配比等方面研究众多，但是缺乏对不同工艺之间材料力学性能的对比研究。

3.2 动力学行为研究

金属型含能材料的动力学性能直接影响武器装备的毁伤威力。因此，弄清金属型含能材料在动态加载下的力学行为，研究不同条件下的动力学性能尤为重要。随着测试手段的不断发展和成熟，研究人员对金属型含能材料的动力学性能开展了大量研究，并取得许多研究成果，对含能材料的工程应用做出了重要贡献。目前，研究人员主要从应变率加载、工艺参数（烧结温度等）、微观性能（颗粒尺寸、孔隙率等）、材料成分等方面对金属型含能材料的动力学性能开展了研究。

3.2.1 应变率对力学性能的影响

金属型含能材料在爆炸加载驱动和撞击目标的过程中会受到高应变率加载，而高应变率加载则是造成材料失效的主要原因。早期，国外研究者对金属型含能材料力学行为进行了初步探索，得到了材料的应力-应变关系及相关Hugoniot 参数，为金属型含能材料力学行为研究奠定了基础。Dunbar 等[56]通过研究爆炸粉末烧结工艺制备的Al/W、Al/Ni、Al/Nb、Al/Ta和Al/Mo 等含能材料的动态破坏响应，发现Ni、W、Mo、Nb、Ta等粉末与Al 复合后爆炸烧结致密物的力学性能和破坏模式取决于不连续相与连续相界面的强度；Thadhani 等[38]通过飞片增压技术测量了Ti/Si 含能材料的Hugoniot 参数和冲击压缩物态方程，对其细观结构变化进行了分析；Ferranti 等[39]基于改进的反向Taylor 杆技术，测量了Al/Fe2O3含能材料的力学性能，给出了不同组分材料的应力-应变关系。

随后，国内研究人员对金属型含能材料的动力学行为也进行了研究。Ren 等[57]和刘晓俊等[58-59]基于SHPB 系统研究了加载应变率对Zr/W 含能材料动力学性能的影响以及烧结前后材料的释能特性，实验得到Zr/W 材料的动态压缩强度在1060～2690MPa 之间，材料具有高强度和弹脆特性[57]，同时发现材料在准静态和动态加载下均呈现良好的线弹性，弹性模量对应变率效应不敏感，约为186GPa，烧结后的试样在强冲击载荷作用下发生破碎反应并释放大量的热量，表现出很高的含能特性[59]。宋超慧等[60]对不同应变率下不同配比的Al/W 含能材料进行了动态压缩和破坏特性实验研究，发现W 的质量分数为44%和64%时，Al/W 材料的应力-应变曲线呈现弹塑性强化的变形特点，破坏应变随应变率升高而增大，图4 为不同应变率下Al/W 材料的动态真应力-真应变曲线。

图4 W 质量分数不同的Al/W 含能材料在不同应变率下的动态真应力-真应变曲线[60]Fig.4 Dynamic true stress-strain curves of Al/W energetic materials with different mass fractions of W under different strain rates[60]

Zhang 等[61]和张将等[62]对Zr/W 含能材料的动态力学性能及冲击金属腔体的侵爆行为进行了研究，发现Zr/W 合金在冲击压缩过程中会出现中应变率（＜500 s−1）脆性断裂和高应变率（＞1000 s−1）冲击反应2 种状态，能量释放率随冲击速度的升高明显提高。可见，Zr/W 含能材料是一种典型的弹脆性材料，能量释放率明显受冲击速度的影响。近年来，陈元建等[63]、陈进等[64]和Chen 等[65]采用冷压后烧结热处理方法制备一种高密度Al/Ni/W 含能材料，并通过SHPB 对含能材料的动态力学行为进行研究，发现在应变率为1 000 s−1的条件下动态压缩强度约为500 MPa[63]，并且发现材料的成形温度会明显影响压缩强度，当应变速率为4 000 s−1时，动态压缩强度可达952 MPa[64]。

上述研究主要针对单一条件下加载应变率对材料力学性能的影响，得到了不同材料的动态压缩强度，给出了不同应变率下材料的动态力学特性，而对含能材料在爆炸加载条件下面临的复杂环境对其力学性能的影响还缺乏研究。

3.2.2 工艺参数对力学性能的影响

工艺参数是材料制备的核心，通过调节工艺参数可以制备出具有不同性能的材料。因此，为了制备出高性能金属型含能材料，研究者研究了不同工艺参数对其力学性能的影响。

熊玮等[66]研究了Al/Ni 多层含能材料的轧制次数及结构对其力学性能和冲击释能特性的影响，发现基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料比粉末压制而成的Al/Ni复合材料塑性更强，材料的抗压强度总体随冷轧次数的增加呈上升趋势，并且发现在相同撞击速度(800～1500m/s)下，释放的化学能随着轧制道次的增加而逐渐降低。耿铁强等[67]研究了烧结温度对Al/Ni 含能材料动力学行为的影响，发现烧结温度对其动力学性能有明显的影响，平均流变应力随着烧结温度的升高逐渐升高，当烧结温度为20℃时，材料的平均流变应力约为205MPa，当烧结温度为540℃时，平均流变应力约为249.2MPa。陈进等[64]和Chen 等[65]研究了不同成形温度对Al/Ni/W 含能材料动态力学行为的影响，发现材料的流变应力随成形温度提高而大幅提高。此外，Wang 等[17]制备了集放热性能和力学性能于一体的多层Al/Ni 含能材料，研究了室温下多层Al/Ni 含能材料的热压时间及其动态压缩应变率对微观组织演变和压缩性能的影响，发现热压时间从1 h 延长到4 h 时，Al/Ni 复合材料的动态压缩强度显著提高，应变率为6500 s−1时压缩强度提升最显著，图5 为不同热压时长下Al/Ni 样品的应力-应变曲线。

图5 2 种热压条件下Al/Ni 试样的动态压缩真应力-应变曲线[17]Fig.5 Dynamic compressive true stress-strain curves of Al/Ni samples under two different hot-pressing conditions[17]

另外，Guo 等[68]对不同环境温度和应变率下Al/W 含能材料的力学性能进行了研究，发现随着环境温度升高或应变率降低，材料的流变应力持续降低，并通过实验数据构建了Al/W 合金的本构方程，很好地描述了高温下材料的变形行为。

金属型含能材料制备性能会受多种工艺参数影响，目前只针对个别工艺参数进行了研究，如烧结温度、轧制次数、热压时间等，而对于其他工艺参数研究报道较少。因此，进一步开展其他关键工艺参数研究是尤为重要的。

3.2.3 微观性能对力学性能的影响

随着对金属型含能材料力学性能研究的深入，研究人员发现材料微观性能（颗粒微观尺寸、形状、孔隙率等）对材料动力学行为以及断裂损伤行为具有一定的影响。

早期，Eakins 等[48]研究了颗粒形状和密实度对Al/Ni 粉末混合物抗压强度的影响，发现颗粒尺寸和形态变化导致材料的抗压强度发生显著变化（0.5～6GPa），粉末混合物的冲击致密化行为对颗粒尺寸等参数非常敏感，其混合参数（颗粒尺寸等）和抗压强度之间有很强的关联性，这为后期微观性能方面的研究奠定了基础。随后，Olney 等[42]研究了Al/W 含能材料的颗粒间的黏结、孔隙率、Al 和W 的颗粒尺寸对材料动力学性能的影响，通过动态压缩实验结合数值模拟，发现Al 颗粒间的黏结、孔隙率、Al 和W 的颗粒尺寸、W 颗粒的排列以及各颗粒的力学性能均对材料的整体变形行为产生直接影响，W 颗粒初始排列的变化是决定样品中全局剪切带形成位置的主要驱动因素，颗粒复合材料的剪切局部化机制是由于软质Al 颗粒在刚性W 颗粒周围的局部高应变流动导致的局部损伤积累和中/宏观剪切带/裂纹的生长引起的。Nesterenko 等[69]在Olney 等[42]研究的基础上，研究了不同工艺（CIP 和HIP）条件下Al/W 含能材料的颗粒尺寸及孔隙率对材料动态力学性能和断裂模式的影响，基于实验研究和模拟计算发现，Al/W 材料的力学性能和破碎产生的碎片尺寸对细观结构高度敏感，W 颗粒的形态对动态强度和断裂形态有很大影响，并且在相同孔隙率下，含有细W 颗粒样品的动态强度明显高于含有粗W 颗粒样品的动态强度。此外，Dolgoborodov 等[70]对高孔隙率含能材料的力学性能开展了研究，发现在爆炸冲击波作用下孔隙率对含能材料力学特性有显著影响。另外，耿铁强等[67]基于SHPB 系统，研究了不同烧结温度下Al/Ni 含能材料的微观组织形貌和力学性能，通过对比不同烧结温度下Al/Ni 含能材料的微观组织，发现烧结温度会改变Ni 颗粒和Al 颗粒之间的空隙，改变材料的密度，进一步影响材料的抗压强度，但没有分析材料孔隙及其形态对力学性能的影响。

相比于对应变率加载和工艺参数方面的研究，针对微观性能对材料动力学性能影响的研究报道普遍较少，并且相关研究主要侧重于数值模拟（见第4 节），缺乏相关的实验研究。

3.2.4 材料成分对力学性能的影响

在3.1 节静力学部分中已经介绍，金属型含能材料的成分会影响材料的静力学性能，同理，它也会对材料的动力学行为产生一定影响。刘晓俊等[58]基于SHPB 系统对不同成分配比的Zr/W 含能材料进行了动力学加载实验，发现试件1（W 和Zr 的质量分数分别为34%和66%）的动态压缩强度明显高于另外2 组，应变率为1000s−1 时其值为2690MPa；试件1 在应变率230～1200s−1下的压缩强度变化不大，仅提高了7%；试件3（W 和Zr 的质量分数分别为66%和34%）在低应变率下的压缩强度与准静态压缩强度差别不大，但当加载应变率为690～1120s−1 时，试件3 的动态压缩强度则提高至1410～1581MPa。结果表明：3种材料的压缩强度都表现出一定的正应变率效应，材料成分对其动力学性能有明显的影响。宋超慧等[60]采用模压烧结工艺，制备了4 种不同W 含量的Al/W 含能材料，基于SHPB系统研究了W 含量变化对其动力学行为的影响。研究发现，应变率为1750s−1时，随着W 含量的增大，Al/W 含能材料的动态压缩力学性能呈先增后减的趋势，分析得到导致这种现象的主要原因是Al/W 含能材料内部缺陷和增强相W 的相互竞争，图6 为4 种不同W 含量的Al/W材料的动态真应力-真应变曲线，其中AW-44、AW-64、AW-83、AW-91 分别代表W 质量分数为44%、64%、83%、91%的Al/W 试件。

图6 Al/W 材料的动态真应力-真应变曲线[60]Fig.6 Dynamic true stress-true strain curves of Al/W[60]

此外，研究人员发现掺杂其他金属或金属氧化物对材料动力学性能具有显著影响。如宋丹丹[43]采用冷喷涂工艺制备了密度接近6g/cm3的Al/Ni/W 活性材料，研究发现W 元素除了提高材料的密度外，还与Al 发生反应，生成一系列Al/W 金属间化合物，相比于同一组分Al/Ni 含能材料，W 元素的增加可以有效提高其动力学强度。同理，陈元建等[63]将Al/Ni/W 含能材料中的W 粉替换成Ta 粉，并且加入其他3 种微量稀土金属，经热处理后发现材料的密度由7.82g/cm3 提高到了8.05g/cm3。由此发现，增添其他金属元素会改变材料的密度和力学强度。另外，Ren 等[53]对添加不同金属氧化物的Al/Ni 含能材料进行了动态压缩实验研究，发现加入CuO 的Al/Ni 材料的屈服应力低于无金属氧化物的Al/Ni 材料，并且发现在不同应变率下，加入MoO3使Al/Ni 含能材料的屈服应变显著减小，得到添加金属氧化物会显著影响Al/Ni 含能材料动力学性能的结论。

由此看出，金属型含能材料的材料成分对其动力学性能有显著影响，通过改变成分配比或者添加其他金属元素/金属氧化物可以提高材料的力学性能。这将为制备高密度、高强度的金属型含能材料开辟了一条新的技术路线。

综上，在金属型含能材料动力学性能研究方面，现有的工作主要研究了应变率、工艺参数、微观性能及材料成分等对力学性能的影响，发现通过改变制备工艺、调节制备温度以及添加微量元素等方法可以有效地改善材料的力学性能，为制备高性能金属型含能材料及其工程应用提供了有效的指导。需要指出的是：(1)针对金属型含能材料在碰撞过程中所面临的复杂环境，除考虑应变率对其力学性能的影响外，还需进一步研究其他环境条件（如温度、磁场等）对其力学性能的影响；(2)目前针对部分工艺参数（轧制次数、烧结温度等）对材料力学性能的影响已经进行了研究，而对其他关键工艺参数（压制压力等）的研究报道较少；(3)在材料微观性能对其动力学行为的影响方面，研究者主要侧重于数值模拟研究，缺乏相关的实验研究和验证；(4)通过合理的成分配比以及添加其他金属元素/金属氧化物等，能够制备出高性能、高强度的金属型含能材料。

3.3 微观分析

金属型含能材料内部微观结构是决定其力学性能的重要因素之一。为揭示材料成分、工艺参数以及外载荷等对金属型含能材料宏观力学行为的影响及其内在机制，研究者利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）、X 射线衍射仪（X-ray diffractometer, XRD）和能谱仪等设备对不同状态下材料微观行为（微观形貌、物相组成和元素分布等）进行了分析和讨论。

材料成分对金属型含能材料的力学性能有明显影响，为进一步分析其内在机制，研究人员对其微观形貌进行了分析。宋超慧等[60]对采用模压烧结法制备的4 种W 质量分数不同（44%、64%、84% 和91%）的Al/W 含能材料进行了微观表征与分析，发现Al/W 材料中的缺陷会随着W 含量的提高而明显增多（见图7），结合材料动力学实验数据分析得到，材料动态压缩力学性能是由材料增强相W 和内部缺陷决定的。Kelly 等[71]基于激光驱动飞片技术，研究了Al/Ni 多层复合材料的冲击压缩特性，通过微观结构分析发现，Al/Ni 多层复合材料内部的不均匀处更容易引发化学反应。

图7 不同W 含量的Al/W 含能材料的SEM 图像[60]Fig.7 SEM images of Al/W energetic materials with different W additions[60]

金属型含能材料的工艺参数是决定材料力学性能的关键因素，在其微观分析方面，耿铁强等[67]对不同烧结温度下Ni/Al 含能材料的微观组织进行对比，如图8 所示。图8(a)～(b)为冷等静压态，图8(c)～(f)分别为510、520、530 和540 ℃烧结后的微观组织形貌，颜色较深的为Al，颜色较浅的为Ni。通过SEM 图像分析得到，当烧结温度较低时，Al 和Ni 扩散较慢，Ni 颗粒和Al 颗粒之间为简单机械结合，且存在较多的空隙；当烧结温度升高时，Al 和Ni 扩散加快，颗粒黏结面增大，颗粒间的联结增强，能够减小2 种单相之间存在的空隙，使得颗粒间的结合变得致密，促使材料的密度有所提升，这与Al/Ni 含能材料的塑性和强度随着烧结温度的升高均得到优化的结论保持一致。徐涛等[50]对爆炸加载前后Al/Ni 含能材料的SEM 微观形貌进行了对比分析，发现炸药爆炸产生的高温高压会使表面的含能材料发生熔化，底部的含能材料没有受到高温的直接作用，含能材料内部的孔隙被挤压，含能材料逐渐密实，这为爆炸加载后含能材料的密实度、维氏硬度、屈服强度和失效强度均有提升的实验结果提供了支撑。Chen 等[65]在研究Al/Ni/W 含能材料微观组织性能时发现，单质Al 相的体积分数随成形温度提高而减少，成形温度的升高是导致材料压缩强度大幅度提高的主要原因。李强等[72]研究了富铝Fe/Al 粉末在不同烧结压力和温度条件下烧结产物的组织形貌，发现10 MPa 压力下固态扩散生成Fe2Al5的临界温度为550 ℃，随着压力提高到20 MPa，该温度下转而生成FeAl3。王肖义等[73]研究了烧结温度对Fe/Al 含能材料微观组织结构的影响，发现烧结温度为530 ℃时，烧结试样Fe/Al 界面清晰，并且结合良好，界面处无明显的反应产物存在，而烧结温度为540 ℃时，Fe/Al 界面处出现新的过渡层。

图8 不同温度烧结的Ni/Al 含能材料的SEM 图像[67]Fig.8 SEM images of Ni/Al energetic materials with different sintering temperatures[67]

此外，研究人员对外载荷加载后材料的微观形貌进行了分析。如：Wei 等[52]对Al/Ta、Al/Nb 等材料进行了静态和动态压缩，并对其显微组织进行了分析，发现显微组织中硬质相的连通结构以及组元间的界面结合力对材料的力学性能具有关键影响，并且通过数值模拟得到，增大Al 与Ni 的界面结合力，可以大幅度提高材料的力学性能。曹召勋等[54]在研究Al/Ni 活性材料的力学性能及其释能行为的过程中发现，相比于原始材料的显微组织，不同应变率加载后样品的SEM 图（见图9）中Ni 分布发生明显取向性变化，且应变率越高，取向性变化越大，当应变率达到4000 s−1时，材料局部发生了明显变形；还发现动态加载条件下团聚的Ni 相会发生溃散，由连续相转变为不连续相，随应变率的提高，溃散现象逐渐加重。陈元建等[63]对不同应变率加载下Al/Ni/W 试件的微观形貌进行了分析，发现随着加载应变率的提高，Al 相和Ni 相明显被拉长。

图9 不同加载率下Ni/Al 试件的SEM 图像[54]Fig.9 SEM images of Ni/Al samples under different strain-rate loading conditions[54]

刘晓俊等[59]对W/Zr 含能材料力学加载后断口处的微观形貌进行了分析，图10(a)为准静态压缩后试样断口的SEM 图，可以看出一条明显的裂纹贯穿Zr 和W2Zr 相，呈现穿晶断裂，其中灰色区域为Zr，较亮的为W2Zr 相；图10(b)为SHPB 实验后回收试样断口的SEM 图，发现表面布满大量的白色碎末，其中有不少是球形小颗粒，这是由于破碎的细小的Zr 颗粒与空气剧烈反应生成ZrO2，在表面张力的作用下形成小球，冷却并最终粘附于较大碎块的表面；通过对冲击反应后的碎片进行微观分析，发现不同化合物生成的主要原因是燃烧温度所致。王比等[51]对爆炸烧结的Al/W 含能材料进行了研究，对比了制备前和准静态压缩后材料的微观形貌，发现冲击压力是粉末致密化的主导因素；粉末粒径对烧结密度影响显著，粒径越小，W 颗粒团聚越明显，阻碍了材料的致密化；并且得到Al/W 材料的力学性能和断裂模式主要取决于连续相，Al 相连续的样品抗压强度低、塑性较好，呈轴向劈裂破坏，而W 相连续的样品则表现出脆性和高抗压强度，破坏模式为剪切破坏。

图10 W/Zr 试件断口处SEM 图[59]Fig.10 SEM images of fracture for W/Zr samples[59]

另外，研究人员对金属型含能材料在不同条件下的物相结构进行了分析。耿铁强等[67]对Al/Ni 含能材料在静态和动态压缩失效后的样品进行了物相结构分析，发现在准静态载荷作用下，经不同温度烧结后材料能够保持各自的独立组元，并不会生成其他金属间化合物；动态压缩后样品中仅存在着Ni、Al 单质衍射峰，表明在1 000 s−1应变率下不会发生金属间化合反应；由此证明，材料在准静态载荷和1 000 s−1应变率下能够保持足够的钝感。刘青等[74]利用差示扫描量热法对冷喷涂方法制备的Ni/Al/W活性复合材料进行了反应阈值温度及能量释放水平的测定，并结合SEM 和XRD 检测手段确定了活性复合材料在不同温度下的反应情况，发现在制备过程中材料并没有发生金属间化合反应。

综上，通过金属型含能材料微观分析发现，材料内部硬质相的连通结构以及组元间的界面结合力是决定材料力学性能的关键因素，Al/W 材料中的缺陷会随着W 含量的提高而明显增多，Al/W 材料的动态压缩力学性能是由材料增强相W 和内部缺陷决定的，Al/Ni 材料的塑性和强度随着烧结温度的升高均得到优化，这些结论将为制备高性能金属型含能材料及其宏观力学行为研究提供可靠支撑。然而，对于材料微观行为在时间与空间上连续的变化过程，目前缺乏有效的研究手段。因此，为了给材料宏观动力学性能研究提供更准确的分析，需对整个动态过程中材料的微观行为进行研究。

4 理论与数值模拟

目前，针对金属型含能材料的动力学理论和数值模拟研究主要有2 种方法：一种是通过材料性能实验及数值模拟来确定本构模型中的各项参数，得到材料力学本构模型；另一种是从细观尺度上建立含能材料动力学仿真模型，研究动力学加载下材料细观特性对金属型含能材料动力学行为的影响。在本构模型研究中，已有的金属材料动力学本构模型有Johnson-Cook (J-C)模型、Khan-Huang 模型、Zerilli-Armstrong 模型和Lim-Huh 模型等[75]。其中，J-C 模型中考虑了应变硬化、应变率硬化和热软化对材料流动应力的影响，用该模型描述冲击载荷下材料的强度和延性有较高的精确性，并且其形式简单、物理解释清晰等，研究者经常将它与一维弹脆性损伤本构模型结合，一起来描述含能材料的本构关系。J-C 模型的具体形式为：

式中：A为初始屈服应力；B为应变强化参数；n为应变强化指数；C为应变率强化参数；m为温度敏感指数；εp为等效塑性应变；为等效塑性应变率，为参考应变率；T∗=(T−Tr)(Tm−Tr) ，Tr和Tm分别为室温和材料熔化温度。

基于J-C 本构模型，研究人员通过材料性能实验或者数值模拟的途径来确定模型中的各项参数，从而得到材料动态本构模型。Ren 等[53]利用SHPB 技术获得了Al/Ni 等3 种含能材料的压缩曲线以及JC 本构模型参数，采用冷能叠加法和Wu-Jing 方程计算了材料的Hugoniot 参数，并且通过直接弹道实验和冲击诱导化学反应模型拟合得到了材料的化学反应动力学方程参数；张将等[62]对钨锆合金的动态力学性能进行了实验研究，建立了一维弹脆性损伤本构模型来描述其动态响应特性；Gao 等[76]对W/Ta 合金的动态力学行为及其本构模型进行了研究，得到了2 种W/Ta 合金的J-C 模型材料常数，并通过模拟与实验对比验证了所建立的本构模型；史安顺等[77]基于混合物冷能叠加原理以及W/Cu、Al/Ni 等含能材料的Hugoniot 数据，得到了密实材料的冲击压缩方程；罗普光等[78]对新型锆基非晶含能材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系进行了研究。

从细观尺度建立含能材料动力学仿真模型方面，研究人员分析了含能材料的冲击动态力学响应特性，阐明其冲击反应机制，基于材料细观结构或材料颗粒初始形态建立了含能材料冲击响应模型，对冲击压缩下金属颗粒材料间的碰撞、孔隙压垮、接触面变化及温度分布等规律进行了研究。Williamson[79]将不锈钢材料简化为细观尺度上由均匀、等粒径颗粒构成，生成了相应细观数值模型，为后续细观模拟研究奠定了基础。Benson 等[80-81]、Austin 等[82-84]、乔良等[85]和Qiao 等[86]随后改进了该类细观模型的建立方法，结合材料中颗粒细观分布特性，建立了相应的数学模型，并利用随机数生成方法、模拟退火算法等方法生成了满足细观分布统计规律的模型。此外，Eakins 等[87-88]通过SEM 得到了Al/Ni 含能材料的细观照片，并以此建立了细观尺度数值模型，研究了材料颗粒形状和密实度等细观特性对Al/Ni 类含能材料冲击响应行为的影响规律，同时确定了状态方程参数。这种从细观照片出发建立模型的方案，为宏观材料性能变化研究提供了有效支撑。随后，Reeves 等[89]研究了热和冲击反应引发的Al/Ni 非均相反应，发现Al/Ni 类含能材料的细观结构（颗粒尺寸、形状以及颗粒分布等）对其力学行为及冲击反应特性的影响十分显著。Aydelotte 等[90]基于真实微观结构进行了细观模拟，研究了纯Ni、Ta、W 粉末与Al 粉在爆炸加载过程中发生冲击反应的影响机理，揭示了相似冲击条件下Al/Ni、Al/Ta 和Al/W 含能材料在爆炸压实过程中变形行为的差异；模拟结果表明，在Al/Ni 和Al/W 体系中，冲击诱导的变形主要集中在Al 组分中，而在Al/Ta 体系中Ta 和Al 等2 种组分的塑性变形显著，使Al/Ta 成为一个反应性更强的体系。熊玮等[91]结合SEM 图像分析了3 种典型Al/Ni 类含能材料的细观结构特性，研究了材料配比、制备工艺对材料细观结构的影响规律，并从细观结构照片和细观颗粒初始形态入手，分别建立了Al/Ni 类含能材料冲击压缩细观模型。基于细观结构建模的研究结果表明，冲击压缩作用下材料内部主要发生了颗粒变形和体积压缩2 个过程（见图11[91]）。基于材料初始形态建模的研究结果表明：在冲击加载条件下，初始颗粒形状规则且尺寸均匀的Al 颗粒发生了变形；当颗粒速度达到800 m/s 以上时，能够明显观测到 Al 颗粒的大变形及颗粒间的融合现象（见图12[91]）。通过上述数值模拟发现，细观尺度上由均匀、等粒径颗粒构成细观数值模型的建立更方便快捷，而基于细观照片生成细观尺度数值模型更能体现材料细观尺度上的实际分布特点。但是，这2 种建模方法对含能材料冲击响应细观模拟结果的影响机制仍有待探索。

图11 基于细观模型不同粒子速度颗粒的变形情况[91]Fig.11 The deformation of particles at different particle velocities based on the mesoscale model[91]

图12 基于均匀化细观模型不同粒子速度颗粒的变形情况[91]Fig.12 The deformation of particles at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles[91]

可以看出，金属型含能材料力学行为的理论与数值模拟研究有2 种思路：一种是基于J-C 本构模型和一维弹脆性损伤本构建立含能材料动力学本构模型，通过材料性能实验及数值模拟来确定模型中的各项参数，最终得到材料本构模型；另一种是基于材料微观结构从细观尺度上建立含能材料动力学数值模型，研究动力学加载下材料颗粒间的碰撞、孔隙压垮、温度等变化规律以及工艺参数、材料成分等细观特性对金属型含能材料动力学行为的影响。上述研究为金属型含能材料的工程应用提供了有效的理论指导，然而无法准确地反映金属型含能材料在复杂条件下的动力学行为。因此，理清宏观与细观之间的关系，发展并完善动力学本构模型是当前研究的关键问题，为推动金属型含能材料工程应用提供理论支撑。

5 总结与展望

近年来，金属型含能材料因强度高、密度大等优异特性，在工程中尤其在武器装备中具有巨大的应用前景，其中材料在动载荷作用下的力学性能一直是破片战斗部、聚能战斗部等军事领域关注的焦点。目前，研究人员通过多种工艺技术和材料配方筛选制备出了性能优异的金属型含能材料，建立了多种力学性能测试系统，研究了应变率、工艺参数、微观性能以及材料成分等对力学性能的影响，同时对其微观结构进行了分析，并且基于材料J-C 模型及数值模拟给出了相应材料的力学参数，得到了材料动力学本构模型，为金属型含能材料在武器装备中的广泛应用提供了支撑。虽然对金属型含能材料的力学性能已经开展了大量研究，但是目前仍然存在一些问题需进一步探讨。通过上述相关文献的查阅、整理、分析与思考，得到的主要结论和展望如下。

(1)金属型含能材料的制备工艺较多，但每种工艺均有自己的局限性。因此，针对不同性能的样品应选择合适的制备工艺，如热等静压法适用于块体材料，爆炸粉末烧结法适用于小尺寸样品，同时开发先进的制备技术，对提高金属型含能材料的力学性能尤为关键。

(2)金属型含能材料的力学性能决定其工程应用价值，目前研究者主要聚焦于应变率、工艺参数以及微观性能等对力学性能的影响，但是缺乏除应变率之外其他环境条件（如温度、磁场等）以及其他关键工艺参数（压制压力等）对力学性能影响的研究报道。

(3)金属型含能材料的微观行为分析为宏观力学行为研究提供了可靠支撑，目前研究者主要对实验前后材料的2 种微观行为进行对比分析，而对材料微观行为在时间和空间上连续的变化过程缺乏有效的研究。因此，研究材料微观行为在时间和空间上的变化规律，以及探讨如何将细观机制和宏观行为有效关联起来，具有重要价值。

(4)目前，针对金属型含能材料动力学理论研究主要是基于J-C 本构模型，结合材料性能实验以及数值模拟来确定模型参数，这种方法简单方便，但不能准确反映材料的动力学行为，并且缺乏能够准确反映材料在热、力、率等复杂条件下的力学理论模型。因此，基于现有模型发展并完善本构模型是当前研究关注的焦点。