落錘加載下反應(yīng)材料的反應(yīng)性能

陳 鵬，屈可朋，陳 榮，袁寶慧

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.國防科技大學(xué)，湖南 長沙410073)

引 言

反應(yīng)材料又稱“沖擊引發(fā)反應(yīng)材料”(Impact-initiated Reactive Material)，通常由金屬或金屬與非金屬混合物粉末材料按一定工藝方法壓縮、燒結(jié)而制成的亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合含能材料，最早由Hugh E[1]在專利中提出由鋁熱劑或金屬與金屬氧化物組成的反應(yīng)破片。此類材料具有一定的強(qiáng)度和硬度，在靜態(tài)加載下，足夠鈍感不發(fā)生反應(yīng)，然而在沖擊加載下，材料可以快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放能量。

反應(yīng)材料制成的反應(yīng)破片在沖擊引發(fā)油箱和引爆屏蔽裝藥方面的性能都高于普通的惰性金屬破片[2-4]，同時，反應(yīng)材料的熱值較高，單位質(zhì)量反應(yīng)材料的能量約為TNT炸藥的3.5倍[5]，因此，由反應(yīng)破片作為終點毀傷元來提高毀傷效能具有較大的應(yīng)用前景。

反應(yīng)材料在加載及與目標(biāo)作用過程中是一個復(fù)雜的高應(yīng)變率動載過程，研究反應(yīng)材料在加載過程及與目標(biāo)作用過程的反應(yīng)特性對于改進(jìn)提高反應(yīng)材料性能具有重要的意義。目前，國內(nèi)外關(guān)于反應(yīng)材料在外界加載下的反應(yīng)性能研究主要分為分離式霍普金森桿(SHPB)和落錘加載[6-10]，分離式霍普金森壓桿(SHPB)是研究材料在中高應(yīng)變率(102～104s-1)下力學(xué)性能的主要技術(shù)手段[11-12]，而落錘主要是研究材料在低應(yīng)變率長脈沖加載的主要技術(shù)手段。反應(yīng)材料與目標(biāo)作用過程的反應(yīng)特性研究主要分為材料與目標(biāo)作用過程中的沖擊釋能特性和對目標(biāo)的毀傷效能[13-17]。

關(guān)于反應(yīng)材料在落錘中低應(yīng)變率加載下的研究，主要集中在材料是否發(fā)生反應(yīng)及發(fā)生反應(yīng)的特性落高，而關(guān)于其加載過程中力學(xué)性能變化及發(fā)生反應(yīng)吸收的能量研究較少。本研究使用落錘加載反應(yīng)材料，研究材料在加載過程中的力學(xué)性能變化和加載過程中的反應(yīng)特性，分析材料發(fā)生反應(yīng)的閾值，得到材料發(fā)生反應(yīng)的能量吸收，并通過數(shù)值模擬計算分析材料在加載過程中的力學(xué)性能變化。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

反應(yīng)材料的主要成分是聚四氟乙烯/鋁/鎢(PTFE/Al/W),其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：聚四氟乙烯28%，鋁10%,鎢62%。試樣尺寸為Φ8mm×3mm，密度為4.79g/cm3。實驗使用落錘質(zhì)量為10kg。

KD6009動態(tài)應(yīng)變儀，國防科技大學(xué)自研設(shè)備； Tektronic DPO4054 數(shù)字示波器，美國泰克公司，采樣率為10M/s；50Ω錳銅應(yīng)力傳感器，北京理工大學(xué)。

1.2 實驗原理

本研究采用的落錘加載實驗裝置如圖1所示。實驗原理是通過改變落錘的落高來改變落錘的撞擊速度，實現(xiàn)不同加載強(qiáng)度；試樣放在落錘的正下方，通過放置在試樣下面的錳銅應(yīng)力傳感器測試加載過程中的應(yīng)力變化；高速相機(jī)用來記錄加載過程中試樣發(fā)生的變化和反應(yīng)過程，同時拍攝落錘上的圖標(biāo)移動過程，通過數(shù)字圖像相關(guān)處理(DIC, Digital Image Correlation)得到加載前后落錘速度的變化。

1.3 力學(xué)性能測試

為了測試加載過程中試樣底端應(yīng)力—時間變化曲線，將錳銅應(yīng)力傳感器安裝在試樣下端，如圖1(b)所示，錳銅應(yīng)力傳感器使用惠斯通電橋進(jìn)行測量，得到錳銅應(yīng)力傳感器電阻ΔR/R的變化，錳銅應(yīng)力傳感器應(yīng)力與阻值變化的標(biāo)定公式如下：

σ=(0.0014±0.005)+(51.4697±0.2773)(ΔR/R) (0～1.5GPa)

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 落錘加載力學(xué)性能分析

實驗通過改變落錘高度得到不同的加載速度，分別對材料進(jìn)行了0.60～1.50m落高下7次獨(dú)立的加載試驗，通過DIC處理得到了材料在不同落高下的撞擊速度和反彈速度，直接加載試樣的試驗結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著落錘下落的高度降低，撞擊速度相應(yīng)減小，同樣反彈速度也會減小。同時，由不同試驗的材料是否發(fā)生反應(yīng)可以得到材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高，在直接加載后，材料在落高0.95m未發(fā)生反應(yīng)，在1.00m高度時發(fā)生了反應(yīng)，通過高速攝影拍攝看到有火光產(chǎn)生，還可以聽到有爆炸聲響，所以可以判斷材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高約為0.98m(反應(yīng)和未反應(yīng)落高的平均值)。

將錳銅應(yīng)力傳感器放在試樣底端測試加載過程中試樣底端的應(yīng)力(σ)變化過程，得到試樣在不同下落高度下的應(yīng)力—時間曲線如圖2所示。

圖2 落錘加載材料應(yīng)力—時間曲線Fig.2 Stress—time curves of drop-weight loading material

從圖2可以看出，隨著落錘下落高度的增加，應(yīng)力隨時間變化越快，下落高度較低時，材料應(yīng)力隨時間緩慢增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時，由于放置在試樣底端的錳銅應(yīng)力傳感器在加載時與試樣底面接觸存在著剪切作用而使錳銅應(yīng)力傳感器破壞。在落錘系統(tǒng)的加載下，都處于毫秒時間量級。

2.2 落錘加載反應(yīng)性能分析

反應(yīng)材料無約束情況下落錘加載發(fā)生反應(yīng)，隨著高度降低，材料由反應(yīng)向未反應(yīng)過渡。落錘從1.00m高度下落，試樣發(fā)生反應(yīng)，從高速攝影照片看到有較明顯的火光產(chǎn)生,在實驗時可以聽到較明顯的爆炸聲響和回收的試樣有燒焦的跡象。

高速攝影記錄的落錘從1.00m高度下落時反應(yīng)材料在不同時刻的照片如圖3所示，相機(jī)幅頻為30000fps，分辨率為256×384pixel。從圖3可以看出，加載過程中，材料被壓縮破壞向外噴射，在1000μs時，可以看到有反應(yīng)的火光點產(chǎn)生，同時有較為猛烈的聲響。在1100μs時，可以看到反應(yīng)后有煙霧產(chǎn)生，從回收的試樣可以看到，試樣有燒焦熔化的現(xiàn)象。

圖3 1.00m落高下落錘加載材料的高速攝影照片F(xiàn)ig.3 The high-speed photography pictures of drop weight loading material from 1.00m drop height

將高速攝影照片和發(fā)生反應(yīng)的應(yīng)力—時間曲線(圖2)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，材料在1000μs時發(fā)生了反應(yīng)，從圖2可以看出，此時對應(yīng)的應(yīng)力為281MPa，則可以得到反應(yīng)材料在無約束情況下使用10kg落錘加載發(fā)生反應(yīng)的臨界應(yīng)力為281MPa。

2.3 落錘加載反應(yīng)材料點火能量分析

反應(yīng)材料在撞擊加載過程中，經(jīng)歷了較大的塑性變形、壓碎噴射等過程，最后發(fā)生反應(yīng)。加載過程中，落錘下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為落錘的動能，過程示意圖如圖4所示，落錘撞擊試樣速度為v1，反彈速度為v2，在此過程中動能損失為ΔE，研究表明，一部分損失的動能轉(zhuǎn)化為試樣的塑性變形能ΔE1，引起材料產(chǎn)生一定的溫升，當(dāng)材料溫升達(dá)到一定程度時，材料會發(fā)生反應(yīng)；另外一部分損失的動能ΔE2被落錘系統(tǒng)的底座吸收。

圖4 落錘加載過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of drop-weight loading process

落錘加載中動能的損失ΔE為：

(2)

式中：m為落錘質(zhì)量，本實驗所用落錘的質(zhì)量為10kg。

ΔE=ΔE1+ΔE2

(3)

單位質(zhì)量試樣吸收的能量為：

(4)

式中：m1為試樣材料的質(zhì)量。

對于加載過程中，平臺底座吸收的能量通過落錘直接撞擊底座平臺得到，在未加試樣的情況下，通過高速攝影拍攝落錘撞擊過程，DIC處理撞擊平臺的速度和反彈的速度見表2。由5個不同高度下落的落錘撞擊和反彈速度，計算得到直接撞擊引起的平均動能損失為47.2J。

表2 落錘撞擊底座平臺速度變化Table 2 The speed changes of drop-weight impact platform

通過直接撞擊研究底座平臺吸收的能量ΔE2為47.2J,在整個加載過程中的總能量損失ΔE可以由表1的動能損失得到，所以在整個加載過程中，試樣被壓縮直至發(fā)生反應(yīng)所吸收的能量ΔE1為總的動能損失和底座平臺吸收的能量差值，見表3。

表3 落錘加載過程中能量的變化Table 3 Changes in energy during drop-weight loading

由表3可見，試樣吸收的能量隨著落錘下落高度的增加而增大。

落錘加載過程中發(fā)生反應(yīng)和未發(fā)生反應(yīng)材料的單位質(zhì)量試樣吸收的能量圖如圖5所示，橫軸為落錘加載單位質(zhì)量試樣吸收的能量，縱軸為0時代表試樣未發(fā)生反應(yīng)，為1時代表試樣發(fā)生反應(yīng)。

從圖5可知，試樣發(fā)生反應(yīng)的臨界輸入能量在虛線框內(nèi)，取虛線框內(nèi)發(fā)生反應(yīng)和未發(fā)生反應(yīng)的平均吸收能量值約為40.9J/g。因此可以認(rèn)為，試樣在落錘直接撞擊加載發(fā)生反應(yīng)的臨界能量為40.9J/g。

圖5 落錘加載材料發(fā)生反應(yīng)的能量Fig.5 The energy of occurring material reaction under drop-weight loading

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 有限元模型的建立

本研究主要使用Hypermesh建模軟件建立落錘和反應(yīng)材料的全模型，見圖6。

圖6 落錘整體視圖及試樣和空氣網(wǎng)格局部放大圖Fig.6 Overall view of drop-weight and enlargement view of sample and air grid

如圖6(a)所示，落錘質(zhì)量為10kg，試樣大小為Φ8mm×3mm,模型使用實際尺寸大小，為了減少計算量，落錘和底座網(wǎng)格使用過渡網(wǎng)格，離試樣越近，網(wǎng)格越密，離試樣越遠(yuǎn)，網(wǎng)格越少。試樣和空氣網(wǎng)格的局部放大圖如圖6(b)所示，試樣采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.5mm，計算使用流固耦合算法。

在計算時，試樣使用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，具體的材料參數(shù)如表4所示[18]。計算時，在落錘上加載一個初速度，加載過程中，試樣發(fā)生較大的變形，落錘速度隨著加載的進(jìn)行不斷減小，當(dāng)壓縮到一定程度時，落錘發(fā)生反彈。

表4 JC模型材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果的對比

落錘在1.4m落高下測得的試樣底端應(yīng)力—時間曲線和使用LS-DYNA數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行的對比如圖7所示。

圖7 落錘加載實驗和計算應(yīng)力—時間曲線Fig.7 Stress—time curves obtained by drop—weight loading experiment and calculation

從圖7可以看到，實驗和數(shù)值模擬得到的應(yīng)力—時間曲線都隨著時間的增大而增大，在250μs之前的實驗應(yīng)力—時間曲線和數(shù)值模擬計算得到的應(yīng)力-時間曲線吻合較好，在250～500μs之間，實驗測得的應(yīng)力值大于數(shù)值模擬計算值。分析原因是由于數(shù)值模擬計算未考慮底部的摩擦力作用，在實際的試驗過程中，由于試樣底部的摩擦力作用，對測得的應(yīng)力產(chǎn)生了較大影響，所以，所得應(yīng)力比計算值大。在500μs之后，計算所得到的試樣底部應(yīng)力大于實際試驗測得的應(yīng)力，原因可能是由于實際加載過程中，材料發(fā)生了較大的變形，向外噴射流動，導(dǎo)致實際測得的應(yīng)力偏小，小于數(shù)值模擬中的應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)落錘加載過程中，試樣是否發(fā)生反應(yīng)受落錘的落高影響較大，實驗得到了材料發(fā)生反應(yīng)的臨界落高為0.98m，反應(yīng)材料在無約束情況下使用10kg落錘加載發(fā)生反應(yīng)的臨界應(yīng)力為281MPa。

(2)使用落錘加載試樣在無約束情況下，試樣材料發(fā)生反應(yīng)的臨界吸收能量為40.9J/g。

(3)使用有限元軟件模擬計算材料發(fā)生反應(yīng)前的力學(xué)變化，得到的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，進(jìn)一步驗證了前期擬合的Johnson-Cook模型的正確性。