Ni-Al粉末藥型罩侵徹特性研究

劉文赫，劉迎彬，吳育智，張超霞，張鑫慧，張 增

(1.中北大學 環境與安全工程學院， 太原 030051； 2.山西江陽化工有限公司， 太原 030041)

1 引言

反應結構材料(energetic structural materials，ESM)是一種具有結構和能量雙重功能的特殊材料，既可以作為結構材料，也可以在被激發后發生化學反應產生能量，其已經成為了一種非常重要的金屬基復合材料。這一材料在軍事領域具有很廣泛的用途，目前應用于反應破片(reactive fragment)和反應藥型罩中。反應材料用作藥型罩時，將傳統惰性藥型罩材料的動能侵徹效果和反應藥型罩材料自身發生反應時釋放的能量對靶板毀傷效果緊密結合在一起，對目標可以實施更好的打擊，比惰性材料的侵徹效果更好。因此，反應藥型罩的研究與開發對于現代武裝戰斗部的破甲能力提升具有重大的意義。近年來以Ni-Al、Fe-Al、Al-PTFE為代表的反應材料成為了研究熱門。其中Ni-Al反應材料由于在高速沖擊下可以發生化學反應并釋放與TNT相當的熱量，加上其理想的機械和物理性能以及高能量釋放能力，且Ni-Al復合材料具有低密度，高熔點和高強度重量比等優點，成為了國內外學者關注和研究的重點之一。影響反應材料的力學性能和侵徹性能有很多因素，如制作方法、粉末粒徑、顆粒形狀、反應材料藥型罩錐角、壁厚和炸高等。Wei等在Ni-Al反應材料中分別添加Cu和PTFE進行準靜態壓縮實驗，對材料的力學性能進行了研究。張度寶等研究了Ni-Al金屬反應材料的性能，制備了能量密度和強度俱佳的Ni-Al金屬反應材料。郭煥果等用實驗和模擬的方法研究了Al-PTFE反應藥型罩聚能射流侵徹厚鋼板，建立了反應射流弛豫時間和侵徹深度的模型，分析表明隨著反應射流的弛豫時間增加，侵徹深度有著顯著提高。喬良等對Al-W-PTFE進行了準靜態壓縮實驗，通過對比分析得到材料組分、顆粒級配關系對強度的影響規律，其中金屬材料顆粒粒徑級配關系是決定材料強度的關鍵，顆粒粒徑級配差異較大對材料強度有不利影響，但Al-PTFE反應材料密度和強度較低，其應用有所限制。孫淼等對比研究了Ni-Al和Cu-Ni-Al反應藥型罩的侵徹性能并進行了微觀分析，實驗得出Cu-Ni-Al 反應藥型罩穿深比Ni-Al反應藥型罩增加了42%。張超霞等對比研究了Cu-Ni-Al和Cu反應藥型罩的侵徹性能，Cu-Ni-Al 反應射流的穿深與Cu射流相比明顯降低，但其平均入口孔徑提高了33.3%。黃炳瑜等設計了一種Al/NiCu雙層含能藥型罩，與CuCu雙層藥型罩相比，對鋼靶和混凝土靶的侵徹深度和侵徹體積都有顯著提高。但目前對不同粉末粒徑的Ni-Al反應藥型罩的對比研究鮮有聽聞。

本文通過粉末冶金法制備了不同Ni粉粒徑的Ni-Al反應材料藥型罩，在不同炸高下進行了靜破甲實驗，并用光學顯微鏡對不同粒徑的Ni-Al反應材料藥型罩的毀傷性能進行了分析，為反應材料藥型罩的研究提供了一定的參考和幫助。

2 實驗材料和方法

使用粉末冶金法制備藥型罩，結合靜破甲實驗對Ni-Al反應材料藥型罩侵徹性能進行研究。

2.1 藥型罩制備

實驗所用藥型罩為Ni-Al反應材料，制備材料粉末為：6 μm Ni粉末由南宮市鑫盾合金焊材噴涂有限公司提供，28 μm Ni粉末由雙贏合金材料有限公司提供，Al粉末由濟南康正鋁業有限公司提供，具體參數如表1所示。

表1 混合粉末參數

為使所用的藥型罩有良好的化學反應性能，將不同尺寸Ni粉分別與Al粉按摩爾比1∶1混合，加入3‰的石墨和機油進行潤滑和粘結(表2)。把粉末放入YXQM系列行星式球磨機正反式運行，單向運行時間為1 min，球磨機轉速為180 r/min，混粉時間為20 min，將混合均勻的粉末放入真空干燥箱干燥24 h。

表2 Ni-Al反應藥型罩參數

用模壓法制備Ni-Al粉末藥型罩，壓制壓力為16 MPa。所制得的藥型罩為錐形見圖1，錐角為47°，裝藥直徑和藥型罩直徑均為44 mm(表2)。

圖1 粉末藥型罩實物圖

2.2 侵徹實驗

實驗裝藥藥柱選取8701炸藥，裝藥密度為1.73 g/cm，靶材為45鋼靶板，靶板的具體參數見表3。采用電雷管起爆，1、2、3、4炸高為60 mm，5炸高為90 mm，6炸高為120 mm。實驗裝置如圖2所示，在相同的條件下進行侵徹實驗。

表3 45#鋼化學成分及含量

圖2 侵徹實驗裝置圖

在實驗后對射流的穿深和孔徑進行測量，并對實驗后靶板進行回收，用電火花切割機沿孔中心線進行切割，結果如圖3所示。對彈坑的頭部和尾部進行取樣，將樣品沿平行于侵徹方向進行打磨和拋光，并用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，制備試樣進行顯微觀測。

圖3 Ni-Al 反應射流侵徹45#鋼截面圖

3 結果與分析

3.1 粒徑對Ni-Al反應聚能射流毀傷結果與影響

1、2、3、4Ni-Al靜破甲實驗結果如表4所示。由表4可知，28 μm Ni粉粒徑的Ni-Al聚能射流比6 μm穿深增加了55%。為了進一步探究，將靶板壁坑頭部和尾部取樣，在100倍光學顯微鏡下進行觀測。圖4為鋼靶板孔壁頭部的顯微觀測照片。

表4 藥型罩侵徹深度和孔徑

(a)(b) 6 μm粒徑藥型罩; (c)(d) 28 μm粒徑藥型罩(100×)

如圖4所示，靶板組織形貌可分為：殘余射流區、白色區、變形區和基體組織區。基體組織由珠光體和鐵素體組成。聚能射流沖擊靶板會使靶板發生形變，在高應變率下，靶板產生剪切帶，越高的應變率或劇烈形變產生的剪切帶就越寬。當聚能射流頭部的沖擊壓力越大，溫度升高就會越快，靶板孔壁頭部就更容易受到影響。溫度超過912 ℃時，基體組織區的鐵素體發生相變成為奧氏體，隨后射流能量耗盡，溫度迅速降低，奧氏體發生相變成為馬氏體。由于射流侵徹是微秒級，溫度迅速降低使奧氏體相變不完全，即奧氏體和馬氏體共存，產生白色區。如圖所示，Ni粉粒徑 28 μm時的殘余射流區、白色區要比Ni粉粒徑6 μm時寬。

圖5為AXIO光學顯微鏡放大50倍下靶板孔壁尾部的顯微觀測結果。

如圖5所示，2種粒徑侵徹靶板的孔壁尾部都沒有明顯的變形區。靶板孔壁尾部的白色區比頭部寬，分析認為在侵徹過程中Ni-Al聚能射流發生反應形成化合物時，釋放了大量的熱，導致尾部的白色區發生了嚴重的變形。Ni粉粒徑28 μm比Ni粉粒徑6 μm的白色區寬，這與靶板孔壁頭部的情況一致，說明前者釋放的能量要更多，擴孔效果更明顯，這也和實驗結果所吻合。

(a) 6 μm粒徑藥型罩; (b) 28 μm粒徑藥型罩(50×)

假設反應射流在弛豫時間內為惰性反應射流，在弛豫時間后開始反應，并在侵徹過程中忽略靶板強度，基于準定常理想不可壓縮流體理論分析可得反應材料藥型罩的侵徹性能與弛豫時間有很大的關系。由虛擬原點理論可得公式：

(1)

式(1)中：為射流侵徹深度，為炸高，(，)為虛擬原點的坐標，為弛豫時間，為射流密度，為靶板密度。

由式(1)可知，當實驗中為固定炸高時，Ni-Al反應射流的侵徹深度與材料密度比和弛豫時間都有影響。

根據侵徹流體動力學理論，射流侵徹深度與射流長度和藥型罩材料密度的平方根成正比。由Hill-Mott-Pack公式：

(2)

式(2)中:為侵徹深度，為射流長度，為射流密度，為靶板密度。侵徹深度與射流長度、射流和靶板密度之比的平方根成正比。在裝藥結構相同、藥型罩形狀基本不變的情況下，不同密度等質量藥型罩的射流速度和長度基本相似。由表2可知，當Ni粉粒徑不同時，Ni和Al等摩爾配比時所壓制成型的藥型罩密度不同，但其密度差距不大，當射流長度與靶板密度一定時，將不同密度代入式(2)可發現侵徹深度的增加較小，與實際情況不符，故密度不是穿深增大的主要影響因素。而反應材料的弛豫時間不僅受到沖擊壓力或爆轟動態載荷的影響，還與反應材料的種類、配比、粒徑有很大關系。當Ni粉粒徑為28 μm時，聚能射流的弛豫時間比粒徑為6 μm時要長，導致形成化合物的時間延后，即會增加擴孔。

粉末顆粒尺寸相近的金屬粉末不利于粒度級配，使藥型罩密度不均勻，金屬射流偏離軸線。相比于Ni粉粒徑6 μm，Ni粉粒徑28 μm與Al粉粒徑6 μm的粒度級配更佳，所得的藥型罩密度也會更均勻，孔隙度也會更小，射流密度和質量也會更好。同時，Ni粉粒徑過小也會使侵徹過程中粒子飛散，6μmNi粉粒徑所形成的射流比28 μm Ni粉粒徑所形成的射流更容易斷裂，造成穿深降低，這與文獻[21]中的結論相吻合。

3.2 炸高對Ni-Al反應聚能射流毀傷結果的影響

相同情況下的Ni-Al反應材料藥型罩分別在炸高為 60 mm、90 mm、120 mm進行靜破甲實驗，結果如表5所示。

表5 藥型罩侵徹深度和孔徑(mm)

分析認為炸高為60 mm時，在小炸高下反應材料藥型罩形成的聚能射流沒有拉伸完全，不能發揮全部的侵徹能力，導致穿深不足。當炸高為90 mm時，炸高高度增加，反應材料藥型罩所形成的聚能射流繼續拉長，使聚能射流充分發揮侵徹能力。當炸高為120 mm時，由于炸高過大，聚能射流碰靶的時間過長。而Ni-Al聚能射流本質上是聚能粒子流，導致反應材料藥型罩形成的聚能射流伸長完全后徑向分散，繼續伸長導致射流不穩定甚至“斷裂”，同樣對其發揮全部的侵徹能力受限。且炸高過大時，聚能射流弛豫時間里的侵徹時間減少，使侵徹能力下降。而孔徑隨著炸高的升高先增大后減小，這是因為相同材料配比的聚能射流弛豫時間相同，在一定范圍內炸高增大時，Ni-Al聚能射流轉化成化合物的時間就越靠近侵徹靶板前期，使擴孔孔徑隨之增大；而炸高過大時，射流在侵徹靶板前就轉化成化合物，能量提前釋放，使擴孔孔徑隨之減小。因此，要想使Ni-Al反應材料藥型罩的侵徹性能提升，不僅要考慮藥型罩材料配比和粒徑配級等，還需要考慮彈靶作用條件，使射流充分發揮動能和化學能。

4 結論

1) Ni粉粒徑為6 μm和28 μm的Ni-Al反應藥型罩對45鋼靶板的平均穿深分別為76 mm和118 mm。相比于Ni粉粒徑6 μm，Ni粉粒徑28 μm的反應藥型罩的穿深提高了55%。

2) 粒徑會影響Ni-Al反應射流的弛豫時間，在Ni粉粒徑為28 μm時會延長反應射流的弛豫時間，能夠有效提高穿深。通過改變Ni-Al反應藥型罩里Ni的粉末粒徑可以有效提高藥型罩的侵徹性能。

3) 炸高為60 mm、90 mm和120 mm時Ni-Al反應藥型罩的穿深分別為78 mm、120 mm和60 mm。相比于60 mm和120 mm炸高，90 mm炸高時Ni-Al反應藥型罩侵徹性能提高了54%和100%。隨著炸高的增大，Ni-Al反應藥型罩的侵徹性能先增大后減小，90 mm為最佳炸高，通過改變炸高可以有效的提高藥型罩的侵徹性能。