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PTFE/A1含能反应材料力学性能研究

徐松林  
【摘要】:PTFE(聚四氟乙烯)/Al(铝)含能反应材料是一种新型的直接毁伤式含能材料,其高化学潜能主要通过冲击引发化学反应的形式释放出来。力学性能、能量释放反应的冲击引发和能量释放水平是其三项重要特征性能。 本文主要研究了PTFE/Al含能反应材料的冲击力学性能、准静态力学性能与能量释放反应的冲击引发。系统考察了制备工艺、试验条件和材料组分对其力学性能的影响规律;构建了该材料基于试验结果的压缩应力-应变本构方程,进行了含能反应材料弹丸冲击试验过程的数值模拟;探索了该类材料在冲击加载下的能量释放反应引发特性。 实验研究了PTFE/Al含能反应材料模压烧结工艺参数和组分配比对其准静态力学性能的影响规律,分析并推测了材料在单轴拉伸加载下的破坏模式及各类添加剂的增强机制。影响拉伸强度的主要因素按影响程度从大到小依次是烧结温度、降温速率、烧结时间、预成型压力、降温过程中的保温温度和预成型温度。获得的优化组合工艺使典型的PTFE/Al(质量比为73.5/26.5)材料拉伸强度和断裂伸长率分别达到24.9MPa和395%。Al含量在6%时PTFE/Al材料有最大拉伸强度,遵循了Πугачев提出的球状颗粒填充PTFE模型。Al含量35%时PTFE/Al材料有最大的准静态压缩强度。纳米粉体和晶须的少量添加可使PTFE/Al材料拉伸强度提高26.2%和9.6%。偶联剂显著提高了高Al含量PTFE/Al材料的拉伸强度,使Al含量50%时的材料拉伸强度提高了62.3%。 在标准摆锤式冲击试验机基础上,改进了冲击试验装置。利用改进前后的摆锤式冲击试验机和分离式霍普金斯压杆(SHPB)试验装置,测得了PTFE/Al含能反应材料的冲击压缩比、压缩应变、开裂阈值、解体阈值和标准冲击强度等动态力学性能参数,分析并推测了材料在冲击加载下的破坏模式及其增韧机制。研究结果表明,材料冲击压缩比随摆锤冲击能的增加呈线性增加趋势。材料标准冲击强度、开裂和解体破坏阈值均在Al含量40%时达到最高值,分别为25.3 J/cm_2、71.2 J/cm_2和85.6J/cm_2,冲击压缩应变则与Al含量成反比。高密度微米颗粒、纳米粉体和晶须使材料各破坏阈值呈下降趋势,偶联剂使材料破坏阈值略微升高。 同时采用SHPB试验装置,研究了PTFE/Al含能反应材料的动态压缩性能,得到了Al含量、加载应变率与材料动态压缩强度和临界应变的相关关系。在压缩实验数据基础上,构建了PTFE/Al材料基于Johnson-Cook塑性模型的压缩应力-应变本构方程,该方程包含了材料的应变硬化效应、应变率效应、温度效应和Al含量的影响。与本研究基本同步的文献报道的本构方程相比,本研究构建的本构方程具有更宽的应变率实验基础(0.006~9000 s~(-1)),适用的Al含量范围更广,从26.5%到50%。 用LS-DYNA模拟处理软件和自行构建的本构方程进行了PTFE/A(l质量比为73.5/26.5)含能反应材料弹丸侵彻靶板试验过程的数值模拟,且与试验结果符合较好,验证了所构建本构方程的可靠性、合理性和实用性。同时还获得了弹丸冲击速度对穿靶过程中弹-靶相互作用情况及穿靶后相关性能参数的影响规律。 利用改进的摆锤式冲击试验和SHPB试验还研究了PTFE/Al含能反应材料能量释放反应的冲击引发特性,结合红外成像仪测温方法测得了试样的冲击温升。发现材料反应阈值可用摆锤的冲击能量或压杆的加载应变率表示。随着摆锤冲击能的增加,材料冲击温升也随之上升。化学计量配比的PTFE/A(l质量比为73.5/26.5)反应阈值最低,即最易被冲击引发反应。高密度微米颗粒、纳米粉体和晶须使材料反应阈值呈上升趋势,偶联剂对材料反应阈值影响较小。试样初始温度升高使材料反应阈值降低。 PTFE/Al(质量比为73.5/26.5)含能反应材料绝热反应温度的计算值为4580K,绝热反应热的计算值为TNT炸药热值的2.0倍以上,其高能量释放主要源于冲击加载下被引发的氟-铝高放热反应,且能量释放水平可通过材料组分进行调节。


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