SHPB加載下PTFE/Al沖擊反應的臨界條件*

烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀,葛 超,田 超,董永香

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

沖擊反應材料是一種在通常情況下呈惰性，但是在高速碰撞或者高應變率加載條件下，會快速而劇烈釋放化學能的廣義含能材料。該材料通常由兩種或多種惰性且相互之間不發生反應的組分復合而成，具有良好的力學性能。相較于傳統材料，沖擊反應材料能對目標造成動能和化學能的雙重毀傷，可顯著提升對目標的毀傷效果。鋁顆粒增強的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene/Al, PTFE/Al)是一種典型的沖擊反應材料，由于具有高能量水平、獨特的能量釋放特性、適中的力學性能及其他優異的理化性能，近年來備受關注。Joshi[1]提出了一種PTFE/Al復合材料的壓制/燒結工藝流程，后被廣泛應用。喬良等[2]、陽世清等[3]、趙鵬鐸等[4]、徐松林等[5]對該材料的制備工藝、靜動態力學性能及Al含量和粒度對其力學性能的影響進行了研究，發現該材料具有應變硬化、應變率強化及溫度軟化等特性。王海福等[6]、Zhang等[7]從釋能與撞擊速度關系和Al顆粒增強相特征尺寸的影響、反應破片撞擊起爆及能量輸出特性、終點效應等方面進行了大量的實驗研究。帥俊峰等[8]、謝長友等[9]、辛春亮等[10]則從應用角度，對沖擊反應材料破片對鋼靶的侵徹、柴油油箱的毀傷及在活性藥型罩、聚能裝藥方面的應用進行了實驗研究，顯示了該材料在高效毀傷方面獨特的優越性。Ge等[11]及烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]則從微細觀角度，采用有限元方法，對Al顆粒粒徑及分布特征對其力學性能的影響進行了研究。在PTFE/Al復合材料沖擊反應誘發機理和反應的臨界條件研究方面，Ames等[13]、Lee等[14]和Feng等[15]將該材料的反應歸因于加載過程中的大變形、剪切帶以及碎化，雖然加載過程中材料內部會出現局部高溫，但是不足以誘發反應；而Hunt等[16]認為在加載過程中產生的高應變率和應力會將機械能轉化成熱能，以誘發材料發生反應。Mock等[17]、Zhang等[7]均提出碰撞速度或者碰撞壓力作為該材料沖擊反應誘發的判據；任會蘭等[18]提出應變率閾值和比能量閾值；Wang等[19]以比能量作為該材料沖擊反應閾值。在前期工作中采用不同材質的SHPB壓桿對PTFE/Al材料進行測試時發現，在幾乎相同應變率下，鋼桿加載發生反應時，鋁桿加載的材料并未發生反應；而采用鋼桿測試時，加載速率必須高于某臨界值材料才會發生反應。為進一步獲得PTFE/Al材料臨界反應的影響因素及臨界條件，本文中主要通過采用鋼桿、鋁桿和不同尺寸的PTFE/Al試樣，研究不同應力和應變率條件對材料沖擊反應臨界條件的影響特性，并提出PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件。

1 沖擊反應實驗

1.1 材料制備

PTFE/Al復合材料中當PTFE和Al質量分數分別為73.5%和26.5%時，材料中氧化劑與燃料為零氧平衡配比，一旦引發反應可持續進行并釋放最多能量[20]，因此選取該典型配比。制備時采用混合壓制燒結工藝，即首先將PTFE粉和Al粉按照73.5%和26.5%的質量百分比，在真空條件下干法混合24 h。混合完畢后，材料粉末在60 ℃的溫度下干燥24 h。然后將干燥過的粉體用網篩分散到模具中并用壓力機壓制、保壓成型；再把已成型的塊體放進冷等液壓機中在250 MPa的壓力下加壓20 min；壓制好的材料將被放入管式燒結爐在氬氣氣氛下進行燒結成型。燒結溫度先以50 ℃/h的速率升至295 ℃，在該溫度下保持4 h后，遵循先快后慢的原則降至室溫。其中PTFE平均粒徑為4～6 μm，密度為2.15×103kg/m3；Al平均粒徑約為8 μm，密度為2.7×103kg/m3。

1.2 實驗方案

采用如圖1所示?16 mm的SHPB實驗裝置對不同尺寸的PTFE/Al試樣進行沖擊加載，實驗中鋼桿和鋁桿彈性模量、密度分別為205、72 GPa和8.0×103、2.8×103kg/m3。入射桿、透射桿、吸收桿和子彈長度分別為1 200、1 200、800和300 mm，其中應變片均貼在入射桿和透射桿正中間位置。

實驗中為了更好地觀察沖擊加載過程中試樣動態響應和誘發反應過程，采用了高速攝影技術(采樣頻率40 000 s-1)；由于SHPB沖擊過程歷時短暫，實驗時采用閃光燈強光照射，可滿足高速攝影短時拍攝記錄要求。實驗中子彈實際沖擊速度的測量和閃光燈的觸發通過1個小型天幕靶實現。為測試安全，實驗中采用了帶有透明強化玻璃測試窗的防護箱。

圖1 SHPB沖擊加載實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of SHPB impact loading setup

圖2 PTFE/Al真實應力應變曲線 Fig.2 True stress-strain curves of PTFE/Al

1.3 試樣材料的應力和應變率分析

根據參考文獻,PTFE/Al復合材料的強度均低于200 MPa，在3種應變率下的真實應力應變曲線如圖2所示。而Mock等[17]、Ge等[21]基于泰勒桿沖擊實驗給出的沖擊反應應力臨界值分別為630和735 MPa；Wang等[19]基于SHPB實驗獲得的反應應力值約為850 MPa。

實驗的高速攝影照片如圖3所示，PTFE/Al試樣并不是在沖擊加載應力達到其自身強度時開始反應，而是繼續被壓縮失效、破碎、飛散并變得很薄，并最終出現反應，該過程和現象與任會蘭等[18]描述的實驗過程類似。因此，不能用簡單的材料破壞之前的應力來標定其沖擊反應臨界值。

材料失效后所受應力可根據壓桿與材料作用力和反作用力關系進行計算，如圖4所示，加載過程中入射桿和透射桿所受力F1、F2的表達式[22]分別為：

F1=AE(εi+εr)，F2=AEεt

(1)

式中：A、E為壓桿橫截面和楊氏模量；εi、εt、εr分別代表入射、反射和透射信號。

圖3 SHPB加載下試樣動態響應過程Fig.3 Dynamic response of the sample under SHPB impact

圖4 SHPB測試部分示意圖Fig.4 Testing section of SHPB

圖5 鋼桿測試系統沖擊下的實驗波形Fig.5 Experimental waveforms under the impact of a steel bar test system

從高速攝影記錄可看出，在整個加載過程中材料不斷地被壓縮并飛散，材料始終充滿入射桿-透射桿界面。圖5所示為與圖6中高速攝影對應的SHPB實驗波形，圖5中紅色虛線對應時刻反射波幅值開始減小，透射波開始突增，此時材料已失效[23]，從圖6中可看出此時(75 μs時刻)材料已被擠壓出桿邊緣但還未出現反應；圖5中紅色線條對應時刻透射波與入射波幅值非常接近，反射波幅值則接近零，說明此刻試樣已被壓縮得非常薄，很接近入射桿-透射桿直接相撞，因此可認為F1、F2近似相等；而在此時高速攝影圖6中也觀察到試樣被壓縮到較薄狀態并發生反應的現象。

根據上述分析，當材料出現反應時刻F1≈F2，因此此時材料所受的應力可近似地表示為：

(2)

式中：σ、ε(Tr)、A為材料反應時刻的應力、透射波幅值和剩余材料橫截面。對于每一發實驗，根據透射波幅值ε(Tr)和式(2)，可較直觀地對材料反應時所受的應力進行估算。

從圖5和式(2)中可以看出，SHPB加載過程中出現反應時對應的應力遠大于PTFE/Al復合材料本身的強度(紅色虛線之前部分代表試樣的動態力學性能[23]，此時透射波幅值很小，根據二波法[22]可知試樣材料強度較小)。

由于SHPB實驗加載過程短暫，試樣長度較小，應變率可按下式[22]進行近似計算：

(3)

2 沖擊動態響應分析

對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的進行實驗，結果如表1所示。觀察發現：在相同應變率條件下，采用鋼質SHPB系統試樣材料會發生反應，而鋁質SHPB系統下試樣材料不發生反應，如表1中第1、2組實驗；在鋼質SHPB下只改變應變率，有的反應，有的不反應，如表1中第2、3和4組實驗；而且當應力及應變率同時高于某個臨界值時材料會發生反應，如表1中第3、4、5和6組實驗。因此，認為應力和應變率均對PTFE/Al沖擊反應誘發產生影響。下面選取3個典型高速攝影記錄(圖6～8)分析沖擊反應過程，相關實驗參數如表2所示。

表1 SHPB沖擊加載實驗結果Table 1 Experimental results of SHPB impact loading

表2 SHPB沖擊加載實驗參數Table 2 Parameters for SHPB impact loading experiment

圖6所示為鋼桿以28 m/s的沖擊速度對?6 mm×4 mm試樣進行沖擊壓縮過程。從圖6中可以看出，PTFE/Al試樣經歷了被壓縮變形、破壞粉碎、沖擊反應等階段。0～50 μs為PTFE/Al試樣的壓縮變形階段，從圖5中的對應波形可以看出此為均勻變形過程，滿足SHPB基礎理論假設條件，該段可反映材料的動態力學性能；50～75 μs為材料繼續被壓縮破碎飛散過程，表明材料已達到了破壞極限；在100 μs時刻材料開始進入反應階段，125 μs時反應更劇烈。實驗中，材料反應過程伴隨有火光、刺鼻的味道及黑色反應殘余物質。

圖6 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動態響應過程Fig.6 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar

為研究應力對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的影響，根據式(2)、(3)將鋼桿換成鋁桿，并以31 m/s的速度對?6 mm×3 mm試樣進行沖擊，試樣在鋁桿沖擊加載下的作用過程如圖7所示。

圖7 PTFE/Al試樣在鋁桿沖擊加載下的動態響應過程Fig.7 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by aluminum bar

從圖7中可以看出：在鋁桿測試系統沖擊下材料經歷變形、破壞、飛散階段，但整個過程中無火光出現；同鋼桿測試系統沖擊情況，75 μs時刻破壞的材料已被擠壓出壓桿邊緣，表明材料已破壞；100 μs時刻之后材料碎片進一步被壓縮飛散卻無反應現象出現。從表2可知，圖7相比于圖6，加載應變率變大、應力變小，而試樣未反應。說明試樣所受應力同時影響PTFE/Al復合材料的沖擊反應。

為了研究應變率對PTFE/Al復合材料沖擊反應臨界條件的影響，根據式(2)和式(3)在鋼桿系統下以43 m/s的沖擊速度對?8 mm×8 mm試樣進行實驗，圖8為試樣在鋼桿沖擊加載下的作用過程。

從圖8中可以看出，由于試樣厚度較大，在第1個脈寬內(約120 μs)壓桿之間尚有較多的材料，此時材料已破壞卻無反應出現；在第2次脈寬內(即波在桿中反射一次約需475 μs，大約600 μs時刻進入第2次壓縮)材料破碎飛散并形成了明顯的碎物質，從材料壓縮、入射桿-透射桿將材料壓至很薄到壓桿相互分離的整個過程中均無火光出現。從表2可知，圖8中所示應力狀態相較于圖6中所示的應力更大、應變率更小，而試樣未反應。說明應變率同時影響PTFE/Al復合材料的沖擊反應。

圖8 PTFE/Al試樣在鋼桿沖擊加載下的動態響應過程Fig.8 Dynamic response process of PTFE/Al sample under impact loading by steel bar

3 結果與分析

3.1 沖擊反應臨界條件分析

根據前文的研究思路，通過不同實驗條件對比研究了PTFE/Al復合材料應力和應變率狀態與其沖擊反應情況。實驗中為了提高數據的可靠性，相同應力和應變率條件下同一發實驗重復了3次，根據3次實驗結果，綜合確定該條件下的沖擊響應狀態，并記為一個數據點。實驗統計結果如圖9所示。

圖9 沖擊應力和應變率關系 Fig.9 Relation between impact stress and strain rate

圖9所示為鋁桿和鋼桿對不同尺寸的試樣進行SHPB加載的實驗結果。實驗得到的應力和應變率數據點近似呈線性關系，如圖9中虛線所示。沿著實線L1的數據點體現了在應力保持恒定的情況下，應變率對沖擊反應的影響：當應力大于其臨界值時，可以看到當應變率大于某一值時才能發生反應；而且根據高速攝影觀察，從左到右反應出現的火光明亮度更強；說明應變率是決定該材料沖擊反應的重要因素。而沿著實線L2的數據點體現了在應變率保持恒定的情況下，應力對沖擊反應的影響：當應變率大于其臨界值時，應力大于某一值時才能發生反應，而且從下到上出現的火光明亮度更強，說明應力對該材料沖擊反應產生影響。同時在圖9中，可以看到一個由反應的和不反應的數據點組成的混合區，在這混合區中，反應是概率出現的。因此，混合區的出現預示著臨界應力和應變率的出現。理論上在圖9中的每條黑色虛線上都應該出現混合區，但由于實驗數據點數量的限制，只能在數據點較多的虛線上觀察到混合區。

沖擊壓縮過程中材料將吸收了外界機械功，從上述實驗結果和反應臨界條件可知，滿足應力條件σ>σc，從其量綱看即滿足含能材料臨界壓力或單位體積的臨界能量判據(單位為J/m3)。同時滿足應力、應變率條件，說明比能量的輸入速率[21](即應力和應變率相關聯，單位為J/m3·s-1)對該材料沖擊反應誘發也起重要的作用。因此，當該材料出現反應時，累積的比能量需大于臨界比能量，并且此時的比能量輸入速率應大于臨界速率。PTFE/Al復合材料上述臨界條件跟沖擊反應材料“只有在高速碰撞或者高應變率加載條件下發生反應”的特性吻合。

在微細觀層面，Ge等[11]和烏布力艾散·麥麥提圖爾蓀等[12]對PTFE/Al復合材料微細觀數值模擬結果中觀察到了與加載方向成45°的剪切應力聚集區，如圖10(a)所示。另外Herbold等[24]對PTFE/Al/W材料的落錘沖擊模擬中也觀察到類似的現象，壓縮過程中裂紋沿剪切應力聚集區擴展，如圖10(b)所示。

通過上述PTFE/Al復合材料沖擊反應實驗現象和微細觀數值模擬結果初步分析，沖擊加載下PTFE/Al材料的應力、應變及達到的應變率等直接影響材料破碎及剪切作用效果，引起內部細觀結構的變化，形成顆粒與基體界面的脫落、裂紋擴展，從能量角度可理解為與沖擊載荷作用下應力和應變率關聯的高速率能量輸入。

圖10 壓縮過程中PTFE/Al細觀結構應力分布Fig.10 Stress distribution of PTFE/Al under compression at microscale

3.2 沖擊反應閾值預測

圖11 PTFE/Al在SHPB加載下反應預測曲線的擬合 Fig.11 Curves fitting for predicting the impact initiation of PTFE/Al samples by SHPB

(4)

(5)

4 結 論

本文中通過SHPB加載和高速攝影技術，分別采用鋼桿和鋁桿對不同尺寸的PTFE/Al試樣進行了沖擊測試，研究了加載應力和應變率關聯對沖擊反應臨界條件的影響。基于本文研究條件下實驗現象和實驗數據，可以得到以下主要結論：

SHPB加載下PTFE/Al復合材料的沖擊響應過程主要包括材料變形、破碎、反應等階段；結合高速攝影與SHPB測試波形，確定材料出現反應是在試樣加載后的破碎階段，并給出了該階段材料臨界反應時應力的近似計算方法；

基于實驗擬合獲得了PTFE/Al復合材料沖擊反應閾值預測曲線，只有當實驗數據點位于該閾值曲線及其上方時，材料才會被誘發反應。