鋁含量對鋁-聚四氟乙烯反應材料準靜態(tài)壓縮力學響應和反應特性的影響

王懷璽，方 向，馮 彬，李裕春，吳家祥，黃駿逸

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鋁含量對鋁-聚四氟乙烯反應材料準靜態(tài)壓縮力學響應和反應特性的影響

王懷璽，方 向，馮 彬，李裕春，吳家祥，黃駿逸

（解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京，210007）

為了研究鋁含量對鋁-聚四氟乙烯（Al-PTFE）反應材料準靜態(tài)壓縮力學響應和反應特性的影響，通過特定的冷壓和燒結工藝，制備了4種不同Al含量的Al-PTFE試件，并進行準靜態(tài)壓縮試驗。結果表明，鋁含量影響材料的力學響應和失效模式，進而影響材料的反應特性；含有16 wt% Al的試件部分反應，26 wt% Al的試件完全反應，36 wt% Al和46 wt% Al的試件未發(fā)生反應；在反應的兩類試件中觀察到張開型裂紋和剪切裂紋，而在未反應的試件中僅觀察到剪切裂紋。

Al-PTFE； 準靜態(tài)壓縮； 力學響應；反應特性

反應材料（reactive materials,RMs）又稱沖擊引發(fā)的含能材料，通常由兩種或兩種以上非爆炸性固體材料組成[1]。與傳統(tǒng)的含能材料不同，在沖擊加載過程中，此類材料在沒有引信的條件下組分之間能相互反應發(fā)生爆燃或爆炸，釋放大量的化學能，具備高能量密度、能量釋放速率以及力學強度。金屬-聚合物復合材料是一類典型的反應材料，而鋁-聚四氟乙烯（Al-PTFE）是這類材料的代表。由化學平衡比組成的Al-PTFE反應材料的單位質量的理論熱值為8.53MJ/kg，是TNT（4.18MJ/kg）的兩倍左右。

國內外學者對Al-PTFE反應材料展開了廣泛研究，主要集中在材料的制備[2-6]、力學響應[7-12]、能量輸出特性[13-17]等方面。但由于材料反應是在高速沖擊下進行，目前的觀測手段無法清晰地獲知整個反應過程，各學者對材料的反應機理仍未有統(tǒng)一的認識。馮彬[18-19]等發(fā)現(xiàn)采用特定的冷壓和燒結工藝制備得到的Al-PTFE試件在準靜態(tài)壓縮下能夠發(fā)生劇烈的化學反應，研究了燒結溫度、材料配比、Al粒徑3種因素對準靜態(tài)壓縮反應的影響，并確定了Al-PTFE發(fā)生反應的材料-工藝范圍，但針對鋁含量對Al-PTFE力學響應和反應現(xiàn)象的影響未做詳細闡述。本文優(yōu)化了制備工藝，對4種不同Al含量的Al-PTFE試件進行準靜態(tài)加載，分析其對材料力學響應、失效模式以及反應現(xiàn)象的影響。

1 實驗部分

1.1 試件制備

采用冷壓和燒結工藝制備了質量百分數(shù)分別為16%、26%、36%、46% 的4種不同Al含量的Al-PTFE試件。粉末粒徑分別為：Al: 6~7μm，PTFE：25μm。試件制備主要分為3個步驟：（1）混料：將Al粉和PTFE粉末放入裝有酒精的燒杯中，機械攪拌20min，使兩種粉末充分混合。然后將混合后的溶液倒入蒸發(fā)皿并放入真空烘箱，在60℃的溫度下干燥48h，保證酒精完全揮發(fā)（不定時地將揮發(fā)出的酒精氣體抽出）；（2）壓制：將干燥后的粉末進行過篩處理，避免粉末團聚。通過漏斗將粉末裝入模具，隨后利用液壓機將粉末壓制成尺寸φ10mm×10mm的準靜壓標準件。壓制壓力300MPa，為防止試件回彈，需要在壓制壓力的位置保壓，保壓時間1min；（3）燒結：將壓制成型的試件放入燒結爐中，為防止燒結過程中Al被氧化，利用真空泵將爐中的氣體抽出。具體燒結工藝為：以90℃/h的升溫速度升到燒結溫度360℃，保溫6h，然后以50℃/h的降溫速度降至25℃。整個燒結過程中溫度的控制由內置在燒結爐中的溫度控制器完成。

不同Al含量的試件燒結后的狀態(tài)如圖1所示，試件的密度和理論最大密度見表1。

為了考察混料的均勻性，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試件的微觀形貌，如圖2所示。從圖2（a）中可以看出Al顆粒均勻分布在PTFE基體中，圖2（b）、2（c）和2（d）分別是元素Al、C、F的面分布圖，3種元素在采樣區(qū)域均勻分布，進一步證明了本文制備工藝的可靠性。

表1 不同Al含量的Al-PTFE試件燒結后密度

Tab.1 The density of Al-PTFE sample with different Al content after sintering

圖1 不同Al含量的Al-PTFE準靜態(tài)壓縮試件

圖2 Al-PTFE（26 wt%Al）試件微觀形貌及元素面分布

1.2 實驗過程

準靜態(tài)壓縮試驗在CMT5105微機控制電子萬能試驗機下進行，環(huán)境溫度25℃，試驗裝置如圖3所示。

圖3 CMT5105試驗系統(tǒng)

利用攝像機記錄試驗過程中發(fā)生的反應現(xiàn)象，幀速率為25幀/s。壓頭加載速度為6mm/min，對應的試件應變率為0.01s-1。每種試件進行3次重復試驗，確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性和可重復性。

在準靜態(tài)加載試驗中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的是壓頭的實時壓力和位移數(shù)據(jù)，材料的工程應力和應變可由式（1）得出：

式（1）中：σ、分別為工程應力和工程應變；為加載力；0、0分別為試件的初始長度和截面積；為準靜態(tài)加載過程中試件的瞬時長度。由于加載過程中試件的截面積和長度都在改變，工程應力——應變無法表征材料的真實應力——應變狀態(tài)。根據(jù)體積不變性假設：00=，可以推導出真實應力和應變的關系式：

式（2）中：σ、ε分別為真實應力和真實應變。

2 結果與討論

2.1 Al含量對Al-PTFE準靜態(tài)壓縮反應現(xiàn)象的影響

對4類Al-PTFE試件進行準靜態(tài)加載，每種試件重復3次。實驗結果為含16 wt% Al的3個試件部分反應；含26 wt% Al的試件全部完全反應；而在對36wt% Al和46wt%Al試件的加載過程中未觀察到反應現(xiàn)象。攝像機記錄的準靜態(tài)反應過程如圖4所示。

圖4 準靜態(tài)加載下的發(fā)火現(xiàn)象

記首次觀察到火光的時刻=0ms，16 wt% Al試件部分反應，反應時間120ms左右，并伴隨張開型裂紋的生成；對于26wt% Al試件，=0ms時觀察到火光，持續(xù)40ms左右后熄滅，同時觀察到第1個張開型裂紋；=4 320ms時第2次觀察到火光，持續(xù)40ms左右后熄滅，形成第2個張開型裂紋；=4 560ms時第3次觀察到火光并迅速向周圍傳播，試件劇烈反應，=7 200ms時反應結束，整個過程持續(xù)約2 640ms。

在準靜態(tài)加載過程中，萬能試驗機停止加載的判據(jù)為10%的力值下降。對于本文研究的材料，當試件失效時，壓力會突然下降，伴隨著應變能的釋放，材料呈脆性斷裂。對于圖4（a）所示的反應現(xiàn)象，由于還原劑（Al）較少，由應變能釋放引發(fā)的局部反應無法進一步向四周傳播，因此材料表現(xiàn)為部分反應；對于圖4（b）所示的反應現(xiàn)象，前兩次觀察到火光并迅速熄滅是因為力值下降小于10%，未滿足試驗機停止加載的判據(jù)，因此試驗機會繼續(xù)加載，相應的應變能釋放較少，雖然氧化劑和還原劑處于化學平衡比，仍無法繼續(xù)反應。當?shù)?次觀察到火光時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示的力值大幅度下降，試驗機停止加載，此時釋放的能量足以引發(fā)未反應區(qū)域，試件劇烈反應。

2.2 Al含量對Al-PTFE力學響應及失效模式的影響

對不同Al含量的Al-PTFE試件測試得到的真實應力——應變曲線如圖5所示，表2為4種材料的力學響應參數(shù)。

表2 不同Al含量的Al-PTFE試件準靜壓力學響應參數(shù)

Tab.2 The mechanical response parameters of Al-PTFE samples with different Al content under quasi-static compression

圖5 Al含量對Al-PTFE應力——應變曲線的影響

從圖5中可以看出4種Al-PTFE試件力學曲線的走勢基本一致，有明顯的彈性段和塑性段，應變硬化效應顯著。圖6為Al含量對Al-PTFE試件準靜壓力學響應參數(shù)的影響規(guī)律。由表2和圖6可以看出，隨著Al含量的增加，Al-PTFE的彈性模量和屈服強度相應增加，而材料的硬化模量、壓縮強度以及失效應變則呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，當Al和PTFE的含量處于化學平衡比時（26 wt%Al）達到最大。

圖6 Al含量對Al-PTFE試件準靜壓力學響應參數(shù)的影響規(guī)律

準靜態(tài)壓縮后的試件以及截面形貌如圖7所示，由圖7可以看出，26wt% Al試件完全反應，加載結束后試件燃燒為一堆黑色的反應產物；16 wt% Al試件部分反應，環(huán)向上有張開型裂紋，在其截面上同時也觀察到了剪切裂紋；36wt% Al和46 wt% Al的試件未發(fā)生反應，在準靜態(tài)壓縮后的試件表面未觀察到任何形式的裂紋，而在其截面上觀察到了剪切裂紋。

圖7 準靜態(tài)加載后不同Al含量的Al-PTFE試件形狀及截面形貌

根據(jù)以上現(xiàn)象，反應的兩類試件均出現(xiàn)了張開型裂紋（26 wt% Al試件雖然完全反應，但從圖4（b）的反應現(xiàn)象中可以很清晰地看到張開型裂紋），隨著Al含量的增加，試件表現(xiàn)為剪切失效，因此從宏觀上可推測準靜態(tài)發(fā)火與張開型裂紋的形成有直接的關系。

3 結論

（1）通過觀察試件的微觀形貌以及元素的面分布圖可知，采用本文制備工藝得到的試件有較高的均勻性，該制備工藝較為可靠。

（2）含16 wt% Al試件部分反應，26 wt% Al試件完全反應，而在對36 wt% 和46 wt% Al試件的加載過程中未觀察到反應現(xiàn)象。

（3）隨著Al含量的增加，Al-PTFE的彈性模量和屈服強度相應提高，而材料的硬化模量、壓縮強度以及失效應變則呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。

（4）當Al含量較少時，在壓縮后試件的截面上可觀察到張開型裂紋和剪切裂紋，隨著Al含量的增加，試件表現(xiàn)為剪切失效，此時無反應發(fā)生。因此從宏觀上可推測準靜態(tài)發(fā)火與張開型裂紋的形成有直接的關系。

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Effect of Al Content on the Mechanical Response and Reaction Characteristic of Al-PTFE Reactive Material under Quasi-static Compression

WANG Huai-xi，F(xiàn)ANG Xiang，F(xiàn)ENG Bin，LI Yu-chun，WU jia-xiang，HUANG Jun-yi

（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing，210007）

To investigate the effect of Al content on the mechanical response and reaction property of Al-PTFE reactive material under quasi-static compression, four kinds of Al-PTFE samples with different Al contents were fabricated, and the quasi-static compression were conducted. Test results show that the aluminum content affects the mechanical response and failure mode, and then affects the reaction characteristics of the material. Specimens containing 16 wt% Al were partially reacted, and 26 wt% Al specimens reacted fully, while 36 wt% Al and 46 wt% Al specimens did not react. Opening cracks and shear cracks were found in the two types of reacted samples, while only shear cracks were observed in the unreacted samples.

Al-PTFE；Quasi-static compression；Mechanical response；Reaction characteristic

1003-1480（2017）05-0041-05

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.011

2017-07-03

王懷璽（1991 -），男，在讀博士研究生，主要從事反應材料制備及性能研究。

國家自然科學基金（51673213）。