疏松態ZrH2的沖擊壓縮特性研究

代永富，薛 冰,2，唐運彬，蒲傳金,2，肖定軍,2，林謀金,2

(1.西南科技大學環境與資源學院， 四川 綿陽 621010；2.西南科技大學工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室， 四川 綿陽 621010)

1 引言

金屬氫化物作為極具潛力的含能添加劑，被應用于混合炸藥和活性破片中，并得到了廣泛的關注。Selezene等[1]研究了鋁粉、鎂粉以及它們的金屬氫化物對硝酸銨、黑索金(RDX)及奧克托今(HMX)爆轟參數的影響，發現含金屬氫化物粉末炸藥的爆速比含相應金屬粉末的炸藥要高。程揚帆[2-4]較早地開展了金屬氫化物在乳化炸藥中的應用研究，結果表明在乳化炸藥中引入氫可以有效提高爆炸威力，鉛柱壓縮實驗表明，氫化鎂能夠使乳化炸藥的猛度提高25%左右。薛冰等[5-7]利用爆炸實驗手段研究了TiH2、MgH2對RDX爆炸性能的影響，結果表明部分金屬氫化物能提高RDX基混合炸藥的爆炸沖擊波性能和爆炸能量。同時，金屬氫化物也常被應用于活性材料中，能夠提高材料強度以及參與反應時提高能量釋放水平。于鐘深等[8-11]首次將TiH2添加到Al/PTFE中開展力學性能、釋能特性等研究，結果表明：TiH2質量分數為5%時材料壓縮強度達到最大值166.4 MPa，比Al/PTFE強度提高6.8%；與Al/PTFE相比，含TiH2試件反應火光周圍有明顯的火星噴濺現象。張軍等[12-13]將ZrH2添加到Al/PTFE中開展準靜態壓縮、落錘沖擊和高速撞靶實驗，結果表明：質量分數為10%的ZrH2能提高Al/PTFE反應材料的力學強度，使其屈服強度與失效應力分別達到22.2 MPa與93.3 MPa，也可降低材料撞擊感度，使其點火激發能增加1.93 J；且Al/ZrH2/PTFE穿靶孔徑為Al/PTFE的1.5倍。上述研究均表明金屬氫化物作為含能添加劑應用潛力巨大。

為了研究金屬氫化物在爆轟高壓下的沖擊響應，以及含金屬氫化物活性破片的沖擊釋能行為，有必要對其沖擊壓縮特性進行研究。金屬氫化物通常作為粉末被添加到其他物質中，由于自身具有反應特性，所以在其應用過程中一般采用累積疊軋法和粉末模壓成型法，從而制得具有一定孔隙率的混合物。因此，本研究以二元金屬氫化物ZrH2為研究對象，利用平板撞擊實驗研究其疏松態沖擊絕熱線，同時基于實驗結果對不同沖擊絕熱線計算模型進行了對比研究，并計算了不同孔隙率ZrH2的沖擊絕熱線。通過分析沖擊回收產物，研究了沖擊作用下ZrH2的物相和形貌變化。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗使用純度為99.9%的ZrH2粉末(錦州市金屬材料研究所)，通過激光粒度儀(LS13320)對其粒度進行測試，結果如圖1所示。ZrH2粉末的粒徑范圍為0.4～63.4 μm，平均粒徑(D50)為8.5 μm，其中粒徑為13.0 μm的ZrH2顆粒含量最高。本實驗使用粉末模壓成型工藝，軸向壓力為212 MPa和120 MPa，分別制得孔隙率P=20%和P=35%的樣品，2組樣品的平均初始密度分別為4.460±0.022 g·cm-3和3.574±0.026 g·cm-3，直徑d為26.34±0.040 mm，ZrH2樣品如圖2所示。

圖1 ZrH2粉末的粒度分布曲線

圖2 ZrH2壓片樣品照片

2.2 平板撞擊實驗

實驗利用一級輕氣炮進行平板撞擊實驗，圖3為平板撞擊實驗的實驗系統結構示意圖。為調整碰撞壓力，飛片材料選取LY12鋁、無氧銅(OFHC)和鎢(W)，實驗飛片沖擊速度范圍為191～873 m/s。利用激光位移干涉儀(displacement interferometer system for any reflector，DISAR)測量自由面速度，通過工裝布置了4個電探針和2個光纖探頭，分別記錄沖擊波到達ZrH2樣品前、后表面的時刻，以此來計算沖擊波速度。

圖3 實驗系統結構示意圖

3 結果與討論

3.1 數據處理

為了獲得樣品自由面速度歷程，首先將DISAR測試獲得的原始頻域干涉信號變換為時域信號，典型處理結果如圖4(a)和4(b)所示，提取時頻信號的脊線后再通過式(1)可計算得到ZrH2樣品的自由面速度剖面，如圖4(c)所示，結果表明191 m·s-1沖擊速度下未出現粉末壓潰行為；而當沖擊速度為401 m·s-1時，速度剖面出現粉末壓潰導致的速度拐點為242 m·s-1，說明P=20%的ZrH2在沖擊壓力為1.121 GPa時開始出現壓潰行為。

(1)

式中：u(t)為某時刻的自由面速度；λ=1 550 nm為激光波長；fd(t)為某時刻的多普勒頻移。

圖4 ZrH2樣品的時頻圖和自由面速度剖面圖(P=20%)Fig.4 Time-frequency diagram and free surface velocity profile of ZrH2 samples(P=20%)

在測量不同孔隙率ZrH2的Hugoniot關系實驗中，不確定度主要來源于沖擊波速度Us和自由面速度uFS測量，其中沖擊波速度由DISAR和電探針組合的測試系統測得，樣品自由面速度由DISAR直接測得。電探針測試系統的時間分辨率可達到納秒級，其響應時間約為20～30 ns，本次實驗測量的沖擊波傳播時間最小為1.7 μs，因此測試不確定度小于2%；DISAR系統時間分辨率可達50 ps，且響應較快，其測速的不確定度相比于電探針可以忽略不計。

3.2 實驗結果

本研究對2組不同孔隙率的ZrH2樣品分別進行了平板撞擊實驗，孔隙率P=20%的ZrH2樣品共進行了4次平板撞擊實驗，實驗結果線性度較好；孔隙率P=35%的ZrH2樣品平板撞擊實驗結果較離散，因此進行了7次沖擊加載實驗，實驗數據見表1。

表1 實驗數據

平板撞擊實驗的沖擊壓力范圍為0.518～3.236 GPa。通過最小二乘法對ZrH2樣品US-up實驗結果進行擬合，擬合結果分別為:P=20%，US=1.879+1.639up(R2=0.97)；P=35%，US=0.666+2.610up(R2=0.97)，如圖5—圖6所示。

圖5 ZrH2的US-up關系(P=20%)

圖6 ZrH2的US-up關系(P=35%)

3.3 沖擊絕熱線預測

王青松[14]將Batsanov等[15]建立的理論方法和Mie-Grüneisen物態方程進行拓展，建立了計算多孔材料沖擊絕熱線的半經驗方法。該方法只需已知材料在某種初始狀態下的沖擊絕熱線，即可計算出其他任意初始狀態下的沖擊絕熱線，彌補了目前幾種常用的計算疏松材料沖擊絕熱線理論方法需以密實材料沖擊絕熱線為參考的局限性。

假定標準材料的Hugoniot關系中沖擊波速度US和粒子速度up為線性關系[16]，即:

US=C0+λup

(2)

式中:C0、λ為Hugoniot參數。王青松提出的半經驗方法為：

(3)

式中：up1、up2為2種不同初始狀態的疏松材料的粒子速度，m=V2/V1，V1、V2為2種不同初始狀態的疏松材料的比容，k為空氣的多方指數(空氣的k=1.4)，ρ1為標準材料的初始密度，若其Hugoniot參數是已知的，則可以推導出任意初始狀態疏松材料的p-up關系。

由Mie-Grüneisen物態方程和US-up關系得到其他初始狀態疏松材料的Hugoniot關系：

(4)

式中：φ=1-V2/V1，γ0為標準材料的Grüneisen系數。當標準材料的初始比容、Grüneisen系數以及Hugoniot參數(C0和λ)已知時，可直接計算出疏松材料(初始比容為V2)的Hugoniot參數。為獲得Grüneisen系數γ，可使用下列近似方程獲得[17]：

(5)

式中：V為相應材料的比容；α為體積熱膨脹系數；Cv為定容熱容；K為體積模量。ZrH2固體的比容V=0.178 cm3/g，根據相關文獻計算結果有[18]，α=5.487 3×10-5K-1，Cv=67.136 J·mol-1·K-1，K=119.59 GPa。將上述數據代入方程(5)，得到ZrH2固體的Grüneisen系數γ=1.623。為了得到疏松態ZrH2的Grüneisen系數，可采用經驗公式γ/V=γ0/V0進行估算。

首先以孔隙率為20%的ZrH2樣品作為標準材料，由γ/V=γ0/V0計算得到γ0,20%=2.044。根據式(3)、式(4)，利用孔隙率P=20%的ZrH2樣品Hugoniot關系計算孔隙率P=35%的ZrH2樣品沖擊絕熱線。然后進行反向計算，以P=35%的ZrH2樣品為標準材料，由γ/V=γ0/V0計算得到γ0,35%=2.550。根據式(3)、式(4)，利用孔隙率P=35%的ZrH2樣品的Hugoniot關系計算孔隙率P=20%的ZrH2樣品的沖擊絕熱線。將計算結果與實驗結果進行比較，如圖7、圖8所示。

對比結果表明，當以低孔隙率(P=20%)作為標準材料計算高孔隙率的沖擊絕熱線時，由式(3)計算得到孔隙率P=35%的ZrH2樣品的US-up及p-up關系與實驗結果吻合較好，說明根據孔穴塌縮能量建立的疏松材料沖擊絕熱線預測方法具有較好的適用性，基于此進一步預測了ZrH2孔隙率分別為25%、30%、40%、45%、50%時的US-up關系和p-up關系，如圖9所示。但由式(4)計算得到的ZrH2樣品沖擊絕熱線與實驗結果相差較大，其可能原因為Grüneisen系數的兩次近似計算，使其與疏松態ZrH2樣品真實Grüneisen系數相差較大，且計算采用的標準材料(P=20%)與預測材料的孔隙率相差過大，從而降低了式(4)預測的準確性。

圖7 P=35%時ZrH2的沖擊絕熱線計算結果(標準材料P=20%)

圖8 P=20%時ZrH2的沖擊絕熱線計算結果(標準材料P=35%)

圖9 不同孔隙率ZrH2樣品沖擊絕熱線曲線

以高孔隙率(P=35%)作為標準材料計算低孔隙率(P=20%)的沖擊絕熱線，計算得到的Hugoniot參數C0與實驗相差不大，但λ的計算值與實驗值相差達89%。這是因為在本次實驗中，P=35%樣品的沖擊加載壓力較低，在此沖擊壓力下反向預測P=20%樣品所得到的粒子速度遠小于實驗值。而材料在低壓區的沖擊特性受影響因素較多，從而導致預測的沖擊絕熱線與實驗結果相差較大，為了進行有效的反向預測，則需要更高的沖擊加載壓力。

3.4 沖擊產物回收與分析

利用一級輕氣炮對P=35%的ZrH2樣品進行沖擊回收實驗。實驗采用的飛片和回收艙均為無氧銅材質，實驗撞擊速度為800 m/s，由阻抗匹配計算得到撞擊入射壓力為16.2 GPa。圖10為ZrH2沖擊回收樣品的XRD分析結果，表明沖擊后的ZrH2沒有發生明顯的物相變化。但沖擊后的ZrH2粉末粒度和形貌發生了變化，由粒度分析結果(圖11)可以發現，沖擊后的ZrH2粒度變大，原因是ZrH2粉末在沖擊加載作用下，發生了團聚和相互嵌合，雖然測試前對樣品進行了超聲處理，但其能量較小，無法使樣品有效分散，所以測得的ZrH2粒度變大。由SEM分析結果可以看到ZrH2顆粒表面有明顯的裂縫和破碎現象，且有較多小顆粒團聚物，說明在沖擊加載的過程中發生了沖擊細化和團聚，如圖12所示。

圖10 ZrH2(P=35%)沖擊回收產物XRD曲線

圖11 沖擊后ZrH2(P=35%)粒度分布曲線

圖12 ZrH2(P=35%)沖擊回收前(左1)、后(右2、3)SEM掃描電鏡圖片

4 結論

1) 利用一級輕氣炮進行了平板撞擊實驗，獲得了孔隙率分別為20%和35%ZrH2樣品的沖擊絕熱線，依次為：P=20%，US=1.879+1.639up(R2=0.97)；P=35%，US=0.666+2.610up(R2=0.97)。

2) 利用實驗數據對2種沖擊絕熱線計算模型進行了對比研究，發現基于孔穴塌縮理論建立的疏松材料沖擊絕熱線預測方法具有較好的適用性，基于此對ZrH2孔隙率分別為25%、30%、40%、45%及50%時的沖擊絕熱線進行了計算。

3) 沖擊回收實驗結果表明：在入射壓力為16.2 GPa時，孔隙率為35%的ZrH2樣品未發生明顯物相變化，但有明顯的破碎細化和團聚現象。