爆炸加載Al/Ni活性材料的準靜態力學行為

徐 濤，何 源，焦俊杰，何 勇，王傳婷，楊相禮，田偉璽

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

1 引言

活性材料又稱多功能含能結構材料，是指一種或多種金屬通過一些特定的工藝制備，受到強烈的沖擊加載時能發生化學反應釋放能量，出現燃燒、爆轟等現象的金屬化合物[1]。最早以活性破片的形式在Hugh E[2]的專利中提出。由于其制造成本低、運輸儲存安全性高、綜合毀傷性能好等特點，被認為是防空反導戰斗部構件的最佳材料，受到世界各國武器彈藥研究機構的高度關注[3-4]。活性材料的研究者，往往希望活性材料作為破片在撞擊目標時依靠撞擊的沖擊壓力引發反應，保證在穿透目標之后引燃引爆后效物。而在此之前，活性材料會受到炸藥爆炸產生的強沖擊的直接作用，因此活性材料的力學行為和釋能特性會受到一定程度的影響。但針對活性材料受到爆炸沖擊后材料性能的變化的研究并不常見，研究爆炸加載對活性材料的影響有利于建立活性材料完整的作用過程，對建立完善的沖擊起爆模型以及戰斗部的設計具有重要的指導意義。

Al/Ni復合材料具有低密度、高熔點、高強度體重比和優秀的能量釋放能力等優勢，在不同溫度、不同沖擊壓縮條件下發生化學反應并生成如NiAl3、NiAl、Ni2Al3或Ni3Al[5]。Al/Ni體系在外界條件刺激(加熱、電流、激光等)下能發生放熱反應，反應熱為-118.4 kJ/mole[6]。Cheng ji等[7]使用累積疊軋焊的工藝制作了Al/Ni活性材料，并設計準密閉容器實驗，發現Al/Ni活性破片在撞擊靶板后發生化學反應釋放出的能量超過數倍的動能，且撞擊速度是反應程度的決定因素。在速度1 176 m/s時，10g(Al/Ni/W)活性破片穿透3 mm厚2A12鋁板在27 L密閉腔體內釋放2.23 kJ/g的化學能，約為動能的3倍[8]，所以Al/Ni材料用作活性破片具有很大的優勢，破片撞擊速度越高，反應釋放出的化學能越多。而在力學性能方面，Al/Ni材料的顯微組織[9]、制備工藝[10-11]和添加劑的種類[12]均能不同程度的影響材料的力學特性。本文針對Al/Ni活性材料，通過設計進行爆炸加載實驗，并對爆炸前后的活性材料進行準靜態力學試驗，研究爆炸沖擊對Al/Ni活性材料力學行為的影響。

2 爆炸加載Al/Ni活性材料

在實際彈丸爆炸的實驗中，往往只能回收到預置的惰性破片，活性破片由于撞擊目標發生化學反應或碎裂而消耗殆盡，為了研究Al/Ni活性材料受加載后的力學行為，需回收到受爆炸沖擊后的材料。本研究設計爆炸加載的回收裝置來收集足夠的活性材料進行研究，同時對炸藥爆炸的爆轟壓力進行測試以準確描述爆炸加載的強度。

2.1 爆炸壓力測試原理

爆轟波是沿爆炸物傳播的強沖擊波，爆壓是爆轟波的壓力，是炸藥爆炸重要的基礎參數。爆壓通常是GPa數量級，且炸藥爆炸是瞬時并伴隨著超高溫，強大的破壞力導致爆壓等參數難以測量。通常使用經驗公式估計炸藥的爆壓：

其中:ρ0為炸藥的初始密度；D為炸藥的爆速，故炸藥的爆壓取決于炸藥的密度和爆速。

爆壓的測試方式大多是通過測量爆炸的其他參數，再利用經驗公式來進行間接換算，而由于經驗公式的提出往往是建立在一些假設條件下，計算得到的數值參考意義有限，故本研究使用錳銅傳感器，直接測得爆炸過程中爆轟波壓力值隨時間的變化。

錳銅傳感器是一種基于材料的壓阻效應而設計制作的壓阻式高壓傳感器[13-15]。壓阻式傳感器的靈敏度高，線性、遲滯及重復性指標較好；易于小型化；固有頻率高、高頻測量性能好；既能測量動態壓力、也能測量靜態壓力。在高壓作用下，錳銅材料的內部載流子遷移率的改變引起材料電阻率的變化，雖然材料的電阻率還會受到溫度變化的影響，但錳銅的溫度系數很小，且在爆炸過程非常短甚至幾微秒的反應時間內，傳感器還來不及與周圍介質發生熱交換現象，故錳銅傳感器很適合測量爆炸產生的高壓。本研究選擇北京理工大學的“H”型錳銅傳感器，其電阻變化和壓力大小之間的標定方程為：

整個測試系統結構如圖1所示，主要包括提供穩定輸出信號的恒流源、錳銅傳感器、接收并記錄儲存信號的示波器。測試前將測試系統連通后，恒流源輸出的信號在示波器中顯示為一條恒定的恒流信號，實驗過程中，當沖擊波壓力開始作用的同時，向脈沖恒流源傳輸一個啟動信號，脈沖恒流源開始工作，輸出一個電流恒定的脈沖信號，該信號給錳銅壓力傳感器供電，響應信號由示波器記錄。為了保證示波器能夠完整的記錄爆轟沖擊波的壓力變化歷程，該測試系統需要滿足的條件是：脈沖恒流源的啟動信號需要和沖擊波開始傳播的時間點同步；脈沖恒流源提供的脈沖段時間大于完整的沖擊波經過傳感器的時間;恒流源不能出現二次觸發影響信號的記錄。因此，實驗需要正確的選擇系統的同步觸發方式、觸發信號源和觸發位置，并選擇合適的恒流脈沖寬度。

圖1 測試系統結構框圖

2.2 爆炸加載試驗

為了回收爆炸加載后的活性材料，設計制作內徑為40 mm的鋼殼，保證材料周圍被包裹。本研究使用的Al/Ni材料的制備是將Al粉末(75 μm)和Ni粉末(75 μm)等體積混合，在行星球磨機中球磨一小時后以200 kN的壓力在設計的鋼殼內緩慢壓制成型，材料壓制成型之后多余的鋼殼被加工切除以露出材料表面。爆炸加載活性材料實驗布局示意圖如圖2，脈沖恒流源采用爆炸科學與技術國家重點實驗室(SKLEST)研制的MH2012高速同步脈沖恒流源，數字存儲示波器采用MDO4104C型號的數字示波器。將H型錳銅傳感器兩端的接口分別連接恒流源的輸出端與示波器的輸入端；恒流源的脈沖時間寬度選擇100 μs以保證波形的完整記錄，在炸藥藥柱上繞一圈漆包線，利用爆炸過后的電離場的導通能力作為脈沖恒流源的觸發信號，炸藥爆炸后，漆包線被導通給恒流源傳遞觸發信號，恒流源提供100 μs的時間脈沖，脈沖時間內爆轟壓力引起的傳感器電阻變化將被完整記錄下來。

圖2 爆炸加載活性材料實驗布局示意圖

總共進行兩次實驗，分別使用8701與TNT炸藥作為爆壓源，藥柱尺寸為φ60 mm×40 mm，裝藥密度分別為1.67 g/cm3與1.58 g/cm3。兩次實驗測量系統得到的電壓與時間曲線如圖3所示，曲線一開始的平臺段是脈沖恒流源的典型的恒流信號，爆壓加載在錳銅傳感器上時，錳銅傳感器電阻的變化值ΔR/R0等于電壓的變化值ΔU/U0，在圖像中讀出曲線的平臺段與峰值的數值，利用標定方程即可計算出爆轟波作用在活性材料的上的峰值壓力。

圖3 電壓-時間曲線

3 測試

通過爆炸加載實驗，在鋼殼內部收集到了比較緊實的AlNi材料。將回收到的活性材料加工成合適的尺寸，與未受到爆炸加載的活性材料同時進行力學測試，進行力學測試的試件類別如表1所示。

表1 試件類別

采用HV-1000A自動轉塔顯微維氏硬度計進行硬度測試，正四棱角錐體壓頭壓入待測試樣表面并保壓一段時間后卸載，在試樣表面留下正四棱角錐壓痕，其維氏硬度可根據如下公式計算，式中P為外加載荷，d為對角線平均長度，α為金剛石角錐體棱面夾角(136°)。為避免試件不均勻性，對試件表面多次測量硬度，得到待測樣品的平均硬度值，保證測量數據的有效性。

采用CSS- 44300微機控制電子萬能材料試驗機對材料進行準靜態力學性能測試，壓縮試件尺寸為φ6 mm×9 mm，試驗的壓縮應變率為1×10-3，得出試驗機的壓縮速度約為0.54 mm/min。

4 結果與分析

鋼殼內回收到的活性材料(剖面圖)如圖4所示，鋼殼內壁與剩余材料呈現2種狀態，上表面的AlNi活性材料呈融化狀，底部的活性材料十分密實，且21.3 GPa的加載下剩余的材料相對14.4 GPa較少，在更大的爆壓加載下，材料更容易向四周飛濺。受加載前后AlNi活性材料的SEM微觀形貌如圖5所示，未受爆炸加載的活性材料內部的金屬顆粒大小比較均勻，且仍然保持良好的球狀，顆粒之間相互接觸堆積在一起，結合性較弱，顆粒與顆粒之間存在孔隙。爆炸加載之后，底部致密的活性材料內部如圖(b)、(c)所示，Al與Ni金屬均勻分布，金屬顆粒被擠壓，且材料非常密實，內部基本沒有孔隙；表面融化狀的材料微觀形貌如圖(d)所示，金屬呈流動狀，已經無法見到顆粒狀的金屬，融化的鋁鎳互相凝結在一起。故炸藥爆炸產生的高溫高壓會使表面的活性材料發生融化，底部的活性材料沒有受到高溫的直接作用，爆轟波傳過后，活性材料內部的孔隙被擠壓，活性材料逐漸密實。

圖4 爆炸加載后鋼殼內的活性材料剖面圖

圖5 AlNi活性材料SEM顯微組織形貌

進行維氏硬度試驗前需要將材料表面打磨光整，保證材料兩端面的平行度。維氏硬度測試結果與典型壓痕如圖6所示，同一材料不同位置的維氏硬度值基本一致，這說明材料內部的均勻性良好，出現的偏差較大的數字，是由于材料不夠密實，內部出現了孔隙。表2所列的數據是測量統計試件的20個位置后得到的平均維氏硬度。可發現AlNi活性材料的維氏硬度值并不高，而使用TNT炸藥和8701炸藥爆炸加載的AlNi活性材料的維氏硬度值均大于未受到爆炸加載的材料，并且爆壓越大維氏硬度值越大，加載爆壓為21.3 GPa時維氏硬度值提升35%。

圖6 維氏硬度測試典型壓痕

表2 維氏硬度測試值

活性材料準靜態壓縮后的變形結果如圖7所示，從圖7(a)可以看出，未受爆炸加載的AlNi活性材料內部顆粒間的結合力并不強，壓縮后四周出現垂直的裂紋，試件邊緣呈瓣狀龜裂。圖7(b)、圖7(c)中試件呈現剪切破壞的形式，除了橫向的鼓起，出現與軸線呈45°的裂紋。

圖7 準靜態壓縮后的變形

對準靜壓縮的數據進行處理，材料準靜壓條件下的真實應力-真實應變曲線如圖8，在應變率為1×10-3的條件下進行多次試驗，以保證試驗的重復性、數據的有效性。從圖中可以看出，AlNi活性材料在準靜態壓力下呈現明顯的彈性段與失效段，受爆炸加載的AlNi活性材料的失效強度有明顯的提升，在14.3 GPa下提升34.0%，在21.3 GPa下提升52.2%。受爆炸加載的活性材料的失效應變值約為0.08；未受爆炸加載的活性材料在應變小于0.05時，應力值上升的較為緩慢，考慮到未受到爆炸加載的AlNi活性材料密實度有限，這個緩慢的上升段材料內部的孔隙被進一步的擠壓，直至出現彈性段與失效段。

圖8 準靜態壓縮真實應力-應變曲線

按照圖9中曲線所示的方式確定材料準靜態壓縮的力學參數，使用屈服強度與失效強度進行表征，統計得到的力學參數見表3，其中準密實態理論密度為5.81 g·cm-3。可知爆炸加載AlNi活性材料使得材料的致密程度進一步提升，減少了材料內部的缺陷與孔隙，進而獲得了更好的準靜態性能。

圖9 準靜態壓縮力學參數曲線

表3 力學參數統計結果

5 結論

1) 爆炸加載AlNi活性材料使得表面的材料呈融化狀態，內部材料的孔隙被擠壓，材料密實，從90%密實度提升到93.6%與97%。

2) 爆炸加載AlNi活性材料使維氏硬度值進一步提升。在準靜態壓縮試驗中，未受爆炸加載的AlNi活性材料從試件邊緣開始出現垂直裂紋，受爆炸加載后的AlNi活性材料呈剪切破壞形式，出現與軸線呈45°的裂紋，屈服強度與失效強度變大，失效應力在原來138.7 MPa的基礎上提升34%與52.2%。