Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟作用下的響應特性研究

李凌峰,王 輝,韓秀鳳,沈 飛

(1.西安近代化學研究所，西安 710065；2.中國人民解放軍96901部隊，北京 100094)

1 引言

金屬—氧化劑體系由于具有較高的燃燒焓而被廣泛應用于混合炸藥、活性破片等含能材料中，鋁—聚四氟乙烯(Al/PTFE)是其中的典型代表，通常由微納米級的鋁粉和聚四氟乙烯粉末通過研磨、混合、壓裝、燒結等工藝制成[1]。聚四氟乙烯具有密度高、熱力學特性優良、穩定安全等優點，與鋁粉組合后，其中具有高氧化性的氟能夠有效改善鋁的反應活性，從而可提高材料的能量密度及反應速率[2]。在高溫高壓作用下聚四氟乙烯會分解為單體CF4和CF2等，擴散到鋁粉顆粒表面，自身或與空氣等在接觸面上發生劇烈反應[3]，特定條件下甚至發生爆炸反應，從而釋放大量能量，因而Al/PTFE活性材料在外界激發作用下的反應特性研究廣受關注。

葛超等[4]基于氣炮試驗研究了Al/PTFE活性材料的沖擊反應閾值，獲得了相應的臨界沖擊加載應力和應變率。張軍等[5]通過準靜態壓縮、落錘撞擊、高速撞靶試驗，研究了ZrH2填充改性的Al/PTFE活性材料的力學特性和毀傷效應。Reinhart等[6]使用推進劑和輕氣槍開展了Al/PTFE混合物撞擊靶板試驗，研究了該材料在高溫高壓條件下的反應特性，并開發了其反應動力學模型。Saikov等[7-8]進行了W/PTFE/Al系統的沖擊加載和燃燒試驗，對過程中的燃燒速率、溫度及產物組分等進行測量，并分析了材料的沖擊引發機理及反應過程。這些研究主要集中于Al/PTFE活性材料在機械撞擊下的力學響應或高溫燃燒條件下的釋能特性，而伴隨著活性材料在炸藥毀傷領域的應用，關于其在炸藥爆炸作用下的反應特性及釋能效應的研究也逐漸增多。王輝等[9]針對含Al/PTFE活性材料包覆層的裝藥開展了內爆炸試驗，分析了活性材料包覆層與炸藥質量比例等因素對裝藥內爆性能的影響規律。杜寧等[10]研究了Al/PTFE等典型活性材料制成的活性殼體在爆炸加載下的釋能特性，并結合火球、溫度及壓力等數據分析了活性材料的反應過程及對炸藥爆炸釋能的增益規律。

上述研究成果表明，Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟加載下，反應速率可能顯著提高，且其本身具有高能的優勢，則有望產生較強的毀傷效果。因此，研究活性材料在高能炸藥爆轟產生的高溫高壓條件下的激發及反應特性對于提高彈藥的毀傷效能具有較為重要意義。

本研究采用GSJ轉鏡式高速掃描相機對Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟作用下的反應激發過程進行觀測，并結合相關理論，對活性材料在炸藥的端面爆轟加載和對碰爆轟加載2種作用方式下的響應特性進行分析，以期為Al/PTFE活性材料在爆炸毀傷領域的應用提供參考。

2 試驗

2.1 端面爆轟加載試驗

1) 樣品

試驗選用的主裝藥為JO-8，密度為1.81 g/cm3，尺寸為Φ40 mm×40 mm；擴爆藥柱選用JH-14C，密度為1.65 g/cm3，尺寸為Φ25 mm×25 mm，中心帶有雷管孔。活性材料選用13 μm級的球形鋁粉和100 nm級的聚四氟乙烯粉末，添加適量粘結劑后均勻混合，采用粉末壓制成型工藝制備。根據活性材料組分間的主要反應：4Al+3C2F4→4AlF3+6C，將其組分的質量比例設計為Al/PTFE～26.5/73.5，密度為2.1 g/cm3，樣品尺寸為Φ30 mm×60 mm(由2節Φ30 mm×30 mm藥柱粘接而成)。

2) 裝置及布局

為判斷爆轟作用下Al/PTFE活性材料的激發及響應過程，試驗采用GSJ轉鏡式高速掃描相機記錄JO-8炸藥及活性材料的反應傳播的軌跡。試驗布局如圖1所示，掃描相機的狹縫觀測位置與樣品的母線重合，高速相機的掃描速度設定為6 mm/μs。

圖1 端面爆轟加載試驗裝置及布局Fig.1 Device and layout of the end surface detonation loading test

3) 結果及判讀

試驗得到掃描底片如圖2所示，其中橫向坐標與相機掃描速度的比值可反映時間，縱向坐標可反映JO-8和活性材料的軸向長度；黑色區域代表曝光部分，試驗過程中，高溫高壓的爆轟產物與空氣碰撞、活性材料的劇烈反應以及沖擊波陣面壓縮空氣都可能發光，從而在底片上產生曝光痕跡。對底片中的黑白界面進行數字化判讀，得到發光陣面的位移-時間曲線如圖3(a)所示，通過微分等處理得到速度-位移曲線，如圖3(b)所示。

圖2 端面爆轟加載試驗的波形掃描底片Fig.2 Waveform scan negative of the end surface detonation loading test

由圖3(a)可以得出，初始穩定平滑的發光陣面曲線①代表JO-8的爆轟發展過程，約4 μs時，爆轟波陣面傳播至JO-8末端，此時波形出現兩條顯著的分叉曲線②和③。由于沖擊波在活性材料內傳播時難以壓縮密實介質發光，且透射出材料外的波陣面壓力顯著衰減，壓縮空氣產生的光強較弱，曝光不強，所以判斷曲線②為活性材料反應產生的發光面的傳播軌跡，也是活性材料內部沖擊波陣面的移動軌跡；而曲線③是爆轟產物離開炸藥端面后繼續行進的軌跡。圖3(b)顯示了這3種軌跡的移動速度，其中，JO-8的爆速約為8.7 mm/μs，與已知參數相符，表明試驗結果準確；活性材料發光面的移動速度從約4 mm/μs迅速降至約2 mm/μs，已接近其聲速，推測活性材料在入射沖擊波的初始高壓激發下發生較強的劇烈反應，且反應速率迅速衰減，這與Dolgoborodov等[11-13]的研究結果相似。但活性材料的后續反應過程被爆轟產物掩蓋，在底片上難以判別。

圖3 端面爆轟加載試驗的底片判讀結果Fig.3 Negative interpretation results of the end surface detonation loading test

為了進一步判斷活性材料的反應情況，降低爆轟產物的干擾，對試驗裝置進行了簡單的修改，在JO-8與活性材料之間增加Φ80 mm×2 mm的圓形有機玻璃(PMMA)，其截面積大于炸藥和活性材料端面面積，且各部分材料之間壓緊以避免空氣間隙影響。試驗得到的底片如圖4所示。

圖4 增加有機玻璃后的波形掃描底片Fig.4 Waveform scan negative with PMMA added

從圖4中可以看出，曲線a代表JO-8的爆轟波陣面，且爆轟波到達炸藥與有機玻璃分界面后發光陣面出現分叉，即曲線b和c。其中，曲線b前端帶有明顯的平臺，推測該曲線代表爆轟產物的發光陣面，平臺的產生是由于爆轟產物的傳播受到有機玻璃的阻攔，與有機玻璃表面發生碰撞產生曝光，同時傳播速率降低；曲線c代表活性材料反應產生的發光陣面，由于有機玻璃的存在，其前端與曲線a尾部之間存在間隔(見圖4中的放大部分)，在有機玻璃與活性材料界面處開始出現較強曝光，但持續時間較短，表明活性材料在炸藥的爆轟作用下產生了劇烈反應而放出強光，但反應迅速衰減而無法自持。

該試驗阻止了爆轟產物與活性材料大面積接觸，鋁粉、聚四氟乙烯難以與JO-8的爆轟產物發生反應，在現象上與未加有機玻璃的試驗有較大差別。然而，在爆轟加載作用下，爆轟產物對于活性材料響應特性的影響機理還有待深入研究。

2.2 對碰爆轟加載試驗

1) 樣品

試驗裝藥結構如圖5所示，Al/PTFE活性材料處于柱體中心，尺寸為Φ30 mm×90 mm(由3節Φ30 mm×30 mm藥柱粘接而成)，外層裝藥采用DNTF基熔鑄炸藥(代號DHL，組分包括DNTF、HMX、Al等，爆速約為8.65 mm/μs，爆壓約為34 GPa)制備，其外徑為Φ50 mm，與活性材料藥柱形成同軸組合裝藥，再與Φ50 mm×60 mm的JO-8藥柱粘接。同樣選用JH-14C作為擴爆藥柱，尺寸為Φ25 mm×25 mm。

圖5 裝藥結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the charge structure

2) 裝置及布局

對于圖5所示的裝藥結構，當炸藥爆轟后，活性材料處于內聚壓力作用狀態，由于表層DHL爆轟干擾，沿裝藥母線掃描時難以觀測到內層活性材料的反應狀態，因此將高速掃描相機的狹縫線對準組合裝藥的尾部端面，獲取其直徑方向的爆轟波形，試驗布局如圖6所示。同時，將高速相機的掃描速度設定為6 mm/μs。

圖6 對碰爆轟加載試驗裝置及布局Fig.6 Device and layout of the head-on collision detonation loading test

3) 結果及判讀

試驗得到掃描底片如圖7所示，其中，縱向坐標可反映出組合裝藥的尾部端面直徑上各點的狀態。對底片中的跡線進行數字化判讀，得到發光陣面的位移-時間曲線如圖8所示。

圖7 對碰爆轟加載試驗的波形掃描底片Fig.7 Waveform scan negative of the head-on collision detonation loading test

圖8 對碰爆轟加載試驗的底片判讀結果Fig.8 Negative interpretation results of the head-on collision detonation loading test

綜合圖7和圖8可以看出，曲線Ⅰ代表DHL的爆轟波傳播到組合裝藥尾部端面時壓縮空氣產生的發光陣面；曲線Ⅱ曝光很淺，推測是由DHL爆轟產生的沖擊波壓縮空氣形成；曲線Ⅲ位于活性材料的中心位置，對應區域的直徑約為10 mm，該部分在底片的曝光度顯著增強，推測是活性材料內的沖擊波向裝藥軸線方向傳播，并在軸線附件區域發生碰撞而產生更強的高壓，從而激發活性材料發生劇烈反應，并在底片上形成強曝光。曲線Ⅲ與曲線Ⅰ時間間隔約為13 μs，結合DHL的爆速及裝藥長度可計算出沖擊波在裝藥軸線附近區域(即曲線Ⅲ對應區域)的傳播速度約為4 mm/μs，遠大于其聲速，且該區域發出的光線較強，則可判斷活性材料在該區域發生了“類爆轟”反應[11]。

3 分析及討論

不同爆轟加載條件下，活性材料受到的激發壓力均不同，響應特性也有所差異。下面結合爆轟加載相關理論計算試驗過程中活性材料所受沖擊波的相關參數，為試驗結果判讀提供依據。

端面爆轟加載條件下，炸藥爆轟產生的沖擊波近似正向入射到炸藥—活性材料界面，由于活性材料沖擊阻抗較低，活性材料受到強入射沖擊波的壓縮作用，其波陣面壓力p與波后粒子速度u滿足[14]：

(1)

對碰爆轟加載條件下，活性材料先后受到端面JO-8正向爆轟與外圍的DHL側向爆轟加載作用，DHL炸藥以滑移爆轟方式進行側向加載時，其爆轟產物p(u)曲線滿足[2]：

(2)

沖擊波波速和粒子速度之間關系為：

v=c0+λu

(3)

Al/PTFE活性材料的沖擊絕熱線可以表達為：

p=ρeu(c0+λu)

(4)

式中：活性材料密度ρe為2.1 g/cm3；c0為活性材料聲速，取1.45 mm/μs；λ為材料本構方程參數，取2.26[16]。

由式(1)、式(3)、式(4)可計算出端面爆轟加載時活性材料所受初始壓力p及波陣面后的粒子速度u，即圖9中的炸藥爆轟產物的p(u)曲線與Al/PTFE活性材料沖擊絕熱線的交點坐標；由式(2)—式(4)可計算出滑移爆轟加載時的相關參量。

炸藥爆轟產物的p(u)曲線與Al/PTFE活性材料沖擊絕熱線的交點坐標即為爆轟加載下入射到活性材料中的沖擊波初始壓力和波陣面后的粒子速度，繪出曲線如圖9所示。

圖9 應力波傳遞分析圖Fig.9 Analysis diagram of stress wave transmission

圖9中的點K和N的具體數據如表1所示，其中，v0表示沖擊波的初始速度。

表1 入射沖擊波參數Table 1 Parameters of the incident shock wave

由于計算過程均未考慮邊界稀疏波影響，相比于實際結果偏大[17]。計算結果表明，JO-8正向爆轟加載條件下活性材料受到的初始激發壓力達到DHL滑移爆轟加載條件下約兩倍多。

沖擊波入射到密實活性材料介質中，其壓力變化近似滿足[18]：

p*=p·exp(-η·x)

(5)

式中：p*為活性材料內的沖擊波壓力，GPa；x為沖擊波在活性材料內的傳播距離，mm；η為與材料性質相關的衰減系數。

從式(5)可以看出活性材料內沖擊波壓力隨著傳播距離的增加會呈指數衰減，這意味著各部分活性材料受到的激發壓力差異很大，文獻[19]中結合泰勒桿試驗給出了活性材料的激活點火時間與激發壓力的關系：

(p*-pc)0.5·t=15

(6)

式中：pc為材料受激響應點火壓力閾值；t為響應點火時間。

顯然，隨著沖擊波傳播距離的增加，激發壓力降低，因而活性材料的點火時間增長，反應速率降低，各個部分的響應特性也有所不同。根據壓力計算結果分析得到炸藥端面爆轟加載和對碰爆轟加載2種方式下活性材料各部分所受激發壓力的大致分布，如圖10所示。

圖10 不同加載方式下活性材料各部分受沖擊示意圖Fig.10 Schematic diagram of the impact on regions of reactive materials under different loading modes

結合試驗結果與理論分析可以得出：端面爆轟加載條件下，入射到活性材料內的沖擊波呈指數衰減，活性材料反應速率也迅速降低，這與端面爆轟試驗獲得底片中的現象及判讀結果一致；對碰爆轟加載條件下，活性材料內的沖擊波在特定區域發生匯聚后產生較高的激發壓力，尤其在裝藥軸線附近產生更高程度的疊加，形成更高的壓力，該區域內的活性材料反應劇烈，產生“類爆轟”反應，在對碰爆轟試驗獲取的底片中顯示出高曝光度。

4 結論

本研究結合端面、對碰2種炸藥爆轟加載試驗和入射沖擊波的高壓計算分析了Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟加載下的響應特性，得到了下列結論：

1) 端面爆轟作用下，活性材料在初始壓力約為33.59 GPa的高壓激發作用下發生劇烈反應，但由于沖擊波的衰減導致反應速率迅速降低而無法自持。

2) 對碰爆轟作用下，活性材料先后受到JO-8的正向加載和DHL的持續滑移爆轟加載，其中滑移爆轟加載方式產生的入射沖擊波初始壓力為15.76 GPa。爆炸產生的沖擊波入射活性材料，在中心部分匯聚形成高壓區域，其中的活性材料發生“類爆轟”反應，平均反應速度達到4 mm/μs。

3) 設計含Al/PTFE活性材料的戰斗部裝藥時，可采用同軸組合裝藥結構，使活性材料受到炸藥爆轟產生的持續強沖擊加載，不僅能夠顯著提升其反應速率，還可避免反應無法自持的問題，以達到更為顯著的毀傷效果。