任耶平，劉 睿，陳鵬萬，郭巖松，胡啟文，葛 超，王海福

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

活性材料是一種或多種金屬以一定的工藝制備而成的先進(jìn)復(fù)合材料。這類材料具有常態(tài)惰性鈍感、沖擊載荷作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放能量的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于含能破片、聚能藥型罩等新型毀傷元?；钚圆牧显跊_擊載荷下的反應(yīng)行為涉及復(fù)雜的力-熱-化耦合響應(yīng)過程，研究其沖擊響應(yīng)特性是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。

近年來，鋁（Al）/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）作為典型的活性材料受到了廣泛的關(guān)注。在材料制備方面，以壓制和燒結(jié)等方式為主的粉末冶金技術(shù)被用于制備具有反應(yīng)活性的Al/PTFE 塊體材料。Joshi較早地提出了以模壓燒結(jié)的工藝制備Al/PTFE 活性材料。在此基礎(chǔ)上，陽世清等獲得了不同制備工藝條件下Al/PTFE 活性材料的理化性能和力學(xué)性能，確定了最優(yōu)的制備工藝條件。Nielson 等提出了用濕法工藝代替干法工藝，可以使材料混合更加均勻。于鐘深等采用冷等靜壓和真空燒結(jié)工藝制備了含 TiH的Al/PTFE 活性材料，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試了材料的力學(xué)性能。目前，獲得致密的Al/PTFE 塊體材料制備工藝已較為成熟。

針對(duì)Al/PTFE 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、點(diǎn)火及釋能行為，已開展了大量的研究工作。通常采用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）系統(tǒng)，研究Al/PTFE 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。研究結(jié)果表明，Al/PTFE 材料具有應(yīng)變率效應(yīng)，動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度小于50 MPa，明顯低于傳統(tǒng)金屬材料。通過添加高密度材料如鎢，能夠提升材料的屈服強(qiáng)度，但其屈服強(qiáng)度的提升并不顯著。Al/PTFE 材料在動(dòng)態(tài)加載條件下能夠發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。Ge 等通過SHPB 動(dòng)態(tài)加載，結(jié)合高速攝影以及應(yīng)變測(cè)量，得到了Al/PTFE 活性材料的點(diǎn)火反應(yīng)應(yīng)變率閾值和應(yīng)力閾值，并證明了材料變形破壞是誘導(dǎo)點(diǎn)火的重要因素。Ren 等設(shè)計(jì)了不同初始缺陷的Al/PTFE 樣品，研究了缺陷對(duì)活性材料點(diǎn)火行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著初始缺陷的增加，點(diǎn)火閾值明顯降低。在Al/PTFE 材料釋能方面，Wang 等、Zhang 等和Xiong 等采用經(jīng)典的Ames 撞擊實(shí)驗(yàn)裝置，研究了Al/PTFE 材料的撞擊釋能行為，通過壓力傳感器和高速攝影分別記錄釋能產(chǎn)生的超壓和劇烈程度，評(píng)估了反應(yīng)釋能效率。王海福等提出了一種測(cè)量活性破片釋能水平的方法，建立了活性材料能量釋放率和碰撞速度的關(guān)系。上述研究給出了Al/PTFE 材料在動(dòng)態(tài)加載下的反應(yīng)特征，但對(duì)Al/PTFE 材料在動(dòng)態(tài)加載條件下的化學(xué)反應(yīng)過程討論較少。

爆炸加載被應(yīng)用于研究活性材料在極端加載條件下的響應(yīng)行為。Li 等采用爆炸沖擊直接起爆PTFE/Ti/W 活性材料，觀測(cè)沖擊波傳播過程中的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了該化學(xué)反應(yīng)具有不可自持的特征。Lee 等對(duì)Mn/S 活性材料進(jìn)行了爆炸加載實(shí)驗(yàn)，沒有直接觀測(cè)到反應(yīng)自持現(xiàn)象。Gur'ev 等對(duì)Zn/S 材料采用相同的爆炸加載實(shí)驗(yàn)，觀察到了沖擊波速度隨著傳播距離的延長出現(xiàn)先迅速降低、后緩慢上升至穩(wěn)定的現(xiàn)象，證明了該體系在爆炸加載條件下具有固相爆轟行為。Dolgoborodov 等通過采用機(jī)械活化方法處理Al/PTFE 混合粉末，制備了密度為0.4～0.5 g/cm的疏松試樣，對(duì)其進(jìn)行爆炸加載實(shí)驗(yàn)，同樣觀察到了固相爆轟現(xiàn)象，其爆速為700～1300 m/s。由此可見，活性材料在爆炸加載條件下是否具有自持反應(yīng)行為仍存在爭(zhēng)議，且自持反應(yīng)條件并不清楚。但是，活性材料化學(xué)反應(yīng)釋能過程對(duì)爆炸載荷作用下材料的狀態(tài)具有顯著的影響。

綜上所述，本文中擬針對(duì)Al/PTFE 活性材料在沖擊載荷下的響應(yīng)行為，制備密度為1.92 g/cm、具有反應(yīng)活性的Al/PTFE 材料，采用拉氏實(shí)驗(yàn)分析方法，利用錳銅壓阻計(jì)觀測(cè)沖擊波在傳播過程中的演化，基于AUTODYN 有限元程序，開展拉氏實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬，運(yùn)用Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型，對(duì)沖擊加載下Al/PTFE 活性材料的響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

1 拉氏實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

選取粒徑為10 μm 的Al 粉和粒徑為15 μm 的PTFE 粉，制備Al/PTFE 塊體材料。Al 粉和PTFE 粉純度分別為99.5%和99.9%?？紤]Al 和PTFE 的化學(xué)反應(yīng)配比，Al 和PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.5%和73.5%，保證Al/PTFE 塊體材料具備最優(yōu)的反應(yīng)放熱能力。

為了制備Al/PTFE 塊體材料，將指定比例的Al 粉和PTFE 粉放入無水乙醇中，利用磁力攪拌機(jī)進(jìn)行充分的機(jī)械混合，直至Al 粉和PTFE 粉均勻分散在無水乙醇中。通過干燥處理，形成Al 和PTFE 混合粉末。由于Al 和PTFE 混合粉末具有一定黏性，干燥過程容易產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象，通過篩選剔除結(jié)塊部分，最后獲得均勻的Al/PTFE 混合粉末。圖1(a)為篩選后的樣品粉末掃描電鏡（scanning electron microscope,SEM）圖像，顯示了粉末細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)，圖1(b)～(d)為元素能譜（elemental energy spectrum, EDS）分析圖，分別給出了Al 元素、F 元素和C 元素的分布情況。結(jié)果表明，球形Al 顆粒較均勻地分散在絮狀的PTFE 中。

圖1 Al/PTFE 混合粉末SEM 圖像和組分EDS 圖像Fig. 1 SEM image and composition EDS images of the Al/PTFE mixed powder

另外，對(duì)Al/PTFE 混合粉末進(jìn)行了X 射線衍射（X-ray diffraction, XRD）分析，結(jié)果如圖2 所示，未發(fā)現(xiàn)Al 和PTFE 的反應(yīng)產(chǎn)物，證明材料在制備過程中混合粉末沒有發(fā)生反應(yīng)，確保所制備的塊體材料具有良好的反應(yīng)活性。

圖2 Al/PTFE 混合粉末XRD 分析結(jié)果Fig. 2 XRD analysis result of the Al/PTFE mixed powder

進(jìn)一步通過冷壓成型技術(shù)獲得尺寸為 ? 50 mm×3 mm 的Al/PTFE 圓片塊體，即將Al/PTFE 粉末放入模具內(nèi)，利用壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓制。首先，壓力以10 MPa/min 的速率升高到10 MPa，并維持壓力3 min；然后，以10 MPa/min 的速率進(jìn)行壓力卸載，如圖3 所示。圖4 為Al/PTFE 圓片塊體實(shí)物圖，其密度為1.92 g/cm，孔隙率為17%。

圖3 Al/PTFE 冷壓成型壓力-時(shí)間曲線Fig. 3 Pressure-time curve of Al/PTFE cold-pressed formation

圖4 尺寸為? 50 mm × 3 mm 的Al/PTFE 圓片塊體Fig. 4 Al/PTFE round flakes with the size of? 50 mm × 3 mm

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

拉氏實(shí)驗(yàn)已被廣泛用于研究炸藥沖擊起爆特性研究，近年來，也被用于活性材料的沖擊波傳播特性的研究。圖5 為給出了拉氏實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要由主發(fā)藥、鋁隔板、Al/PTFE 圓片塊體材料、錳銅壓阻計(jì)、恒流源以及示波器組成。通過主裝藥爆炸加載方式，沖擊波經(jīng)過鋁隔板衰減進(jìn)入Al/PTFE 材料。每塊樣品上表面中心位置安裝錳銅壓阻計(jì)測(cè)量沖擊波傳播路徑上的變化過程。通過調(diào)節(jié)鋁隔板厚度，達(dá)到控制入射沖擊波強(qiáng)度的目的，獲得不同輸入壓力條件下Al/PTFE 樣品反應(yīng)對(duì)沖擊波傳播的影響。其中，主裝藥選用PBX-8701，其尺寸為 ? 50 mm×15 mm。鋁隔板厚度分別為5 和10 mm。試樣是由4 片尺寸為 ? 50 mm×3 mm 的Al/PTFE圓片塊體材料組成。

圖5 拉氏實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 5 The Lagrangian experimental setup

使用的錳銅壓阻計(jì)如圖6 所示，尺寸為65 mm×15 mm×0.06 mm，傳感器前端敏感區(qū)域位于試樣中心位置，在沖擊波載荷作用下電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致在恒流條件下電壓發(fā)生變化。沖擊波壓力為：

圖6 錳銅壓阻計(jì)Fig. 6 Manganese copper pressure sensors

式中：為沖擊波壓力，?為錳銅壓阻計(jì)受到?jīng)_擊后的電阻變化，為錳銅壓阻計(jì)的初始電阻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊波壓力的演化

圖7 為在鋁隔板厚度為10 和5 mm 的條件下，沖擊波在Al/PTFE 材料中傳播過程中壓力的變化，圖中為傳感器到鋁隔板底面的距離。重點(diǎn)關(guān)注不同位置的沖擊波峰值壓力演化過程，峰值壓力代表了沖擊加載過程中的典型特征量，其演化過程取決于材料物理屬性和化學(xué)反應(yīng)特性。當(dāng)鋁隔板厚度為10 mm 時(shí)，沖擊波在=0 mm 處的壓力為8.16 GPa。隨著沖擊波傳播，壓力幅值不斷衰減。當(dāng)沖擊波傳播到=9 mm 處時(shí)，壓力降低為3.46 GPa。當(dāng)鋁隔板厚度為5 mm 時(shí)，沖擊波在=0 mm 處的壓力提高至11.76 GPa。盡管入射壓力提高，但是，隨著沖擊波傳播，壓力幅值仍然不斷衰減。當(dāng)沖擊波傳播到=9 mm 處時(shí)，壓力降低為3.37 GPa。盡管2 種鋁隔板厚度條件下沖擊波初始?jí)毫ο嗖罱?.6 GPa，但隨著沖擊波傳播距離增大，沖擊波傳播到=9 mm 處時(shí)，沖擊波壓力相近。沖擊波在活性材料中傳播過程，其壓力呈現(xiàn)指數(shù)衰減，但由于沖擊波初始?jí)毫ο嗖畈淮?，因此，在?jīng)過9 mm 的傳播，沖擊波壓力將衰減到相當(dāng)水平。

圖7 在不同鋁隔板厚度條件下，沖擊波在Al/PTFE 材料中傳播過程中的壓力變化Fig. 7 Shock wave pressure changes during shock wave propagation in Al/PTFE materials in the cases of different aluminum partition thicknesses

2.2 沖擊波速度的演化

沖擊波在材料中的傳播速度能夠反映材料沖擊響應(yīng)的特征。圖8 為不同鋁隔板厚度條件下的沖擊波傳播時(shí)間-位移曲線和速度-位移曲線，圖中沖擊波速度是根據(jù)時(shí)間-位移曲線確定的，壓力增長起跳點(diǎn)作為沖擊波到達(dá)拉氏位置的時(shí)刻。當(dāng)鋁隔板厚度為10 mm 時(shí)，沖擊波速度從3108 m/s 升高到3184 m/s，隨后明顯下降至2457 m/s。在沖擊波傳播至=6 mm 位置時(shí)，沖擊波速度升高不明顯，僅約2.4%。沖擊波傳播至=9 mm 位置時(shí)，沖擊波速度衰減明顯，約22.8%。當(dāng)鋁隔板厚度為5 mm 時(shí)，沖擊波速度同樣呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)：在沖擊波傳播至=6 mm 位置時(shí)，沖擊波速度從3144 m/s 升高到3774 m/s，升高明顯，約20%；當(dāng)沖擊波傳播至=9 mm 位置時(shí)，沖擊波傳播速度降低至2680 m/s，衰減明顯，約29%。

圖8 鋁隔板厚度分別為10 和5 mm 時(shí)的時(shí)間-位移曲線和速度-位移曲線Fig. 8 Time-displacement curves and velocity-displacement curves when the aluminum partition thicknesses are 10 and 5 mm, respectively

爆炸沖擊波在惰性介質(zhì)中傳播時(shí)，由于受到波后和邊側(cè)的稀疏作用以及波陣面熵增、材料黏性阻尼損耗等因素的影響，壓力和速度隨著傳播距離的增大呈現(xiàn)指數(shù)衰減。但是，圖8 中沖擊波速度隨傳播距離的變化曲線并未呈現(xiàn)明顯的衰減，這是由于Al/PTFE 樣品在沖擊加載條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能量釋放改變了沖擊波波陣面后流體狀態(tài)，有利于加速?zèng)_擊波傳播。但是，隨著沖擊波傳播距離增大，壓力幅值在不斷衰減，這使受壓力控制的Al/PTFE 樣品的化學(xué)反應(yīng)速率在不斷減弱，導(dǎo)致無法對(duì)沖擊波實(shí)現(xiàn)持續(xù)加速。值得一提的是，相比于鋁隔板厚度為10 mm 的條件，鋁隔板厚度為5 mm 時(shí)，加載沖擊波的壓力和速度更高。因此，Al/PTFE 樣品內(nèi)沖擊波速度出現(xiàn)了明顯提升。

3 數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步研究在沖擊波加載條件下化學(xué)反應(yīng)對(duì)沖擊波傳播的影響，通過AUTODYN 有限元數(shù)值軟件，模擬拉氏實(shí)驗(yàn)條件下Al/PTFE 沖擊作用下的響應(yīng)特性。圖9 為拉氏實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型，圖中1～4 為測(cè)點(diǎn)。根據(jù)拉氏實(shí)驗(yàn)裝置真實(shí)構(gòu)型，計(jì)算模型選用二維軸對(duì)稱模型，起爆方式為中心點(diǎn)起爆，材料側(cè)向邊界條件設(shè)置為自由邊界條件，其尾端設(shè)置為無反射邊界條件，網(wǎng)格類型為拉格朗日網(wǎng)格，網(wǎng)格特征尺寸為0.5 mm。

圖9 拉氏實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型Fig. 9 The calculation model for the Lagrangian experiment

其中，主發(fā)藥PBX-8701 選用Jones-Wilkins-Lee (JWL)狀態(tài)方程。鋁隔板選用Johnson-Cook 模型，引用AUTODYN 軟件自帶材料庫。Al/PTFE 活性材料選用Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型和JWL 產(chǎn)物狀態(tài)方程，模擬其在沖擊載荷作用下的響應(yīng)特征。

JWL 狀態(tài)方程為：

式中：為爆轟產(chǎn)物壓力；η ，= ρ/為ρ 材ρ料 ρ密度， 0 為材料 初始密度； A、B、R1、R2 和ω 為材料反應(yīng)常數(shù)。各參數(shù)數(shù)值見表1。

表1 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)[29-30]Table 1 JWL-equation-of-state parameters[29-30]

Johnson-Cook 材料模型為：

表2 Al 隔板材料 Johnson-Cook 模型參數(shù)Table 2 The Johnson-Cook-model parameters of the aluminum partition

Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型為：

式中：等號(hào)右邊的3 項(xiàng)分別描述材料熱點(diǎn)形成過程、慢速反應(yīng)過程以及快速反應(yīng)過程；為材料反應(yīng)度，即材料發(fā)生反應(yīng)的比例；為時(shí)間，ρ為 材料密度，ρ為材料初始密度，、、、、、、、、、、和為材料反應(yīng)常數(shù)。由于Al/PTFE 材料自持反應(yīng)速率較低，快速反應(yīng)過程對(duì)沖擊波壓力的影響較小，進(jìn)而反應(yīng)模型中=0。各參數(shù)數(shù)值見表3。

表3 Al/PTFE 材料Lee-Tarver 點(diǎn)火增長模型參數(shù)[30]Table 3 Lee-Tarver ignition-and-growth model parameters for Al/PTFE materials[30]

拉氏實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型中，設(shè)置了4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用于記錄該觀測(cè)點(diǎn)物理量演變情況，其位置與拉氏實(shí)驗(yàn)中錳銅壓阻計(jì)的放置位置一致。值得說明的是，對(duì)于Al/PTFE 而言，雖然沖擊條件下其反應(yīng)速率低于常見的炸藥，且并沒有像炸藥一樣爆炸產(chǎn)生大量氣體，但是，Jiang 等提出了Al/PTFE 活性材料反應(yīng)后的產(chǎn)物狀態(tài)方程仍然可用JWL 狀態(tài)方程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。郭俊通過Lee-Tarver 模型描述Al/PTFE 活性材料的沖擊反應(yīng)過程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了Lee-Tarver 模型，其中用JWL 狀態(tài)方程描述Al/PTFE 活性材料的反應(yīng)產(chǎn)物，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了材料參數(shù)的有效性。

以隔板厚度為5 mm 的拉氏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Al/PTFE 的Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)式(4)第1 項(xiàng)中的參數(shù)和第2 項(xiàng)中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的壓力歷史曲線計(jì)算值與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中錳銅壓阻計(jì)壓力歷史曲線一致（見圖10(a))。其中，參數(shù)控制了點(diǎn)火熱點(diǎn)形成數(shù)量，參數(shù)控制了點(diǎn)火后熱點(diǎn)迅速擴(kuò)散慢速反應(yīng)過程。采用標(biāo)定的反應(yīng)模型，對(duì)10 mm 隔板厚度下的拉氏實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，與對(duì)應(yīng)的壓力歷史曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)10 mm 隔板厚度條件下實(shí)驗(yàn)和模擬獲得的壓力時(shí)間曲線吻合較好。因此，這組反應(yīng)速率方程參數(shù)能夠較好地描述Al/PTFE 樣品材料的反應(yīng)過程。圖10(b)給出了壓力演化過程的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了Lee-Tarver 模型參數(shù)的有效性。實(shí)驗(yàn)和模擬的壓力時(shí)間曲線存在一定差異，即壓力起跳時(shí)間計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值略微偏小。這是由于，實(shí)驗(yàn)過程中，錳銅壓阻計(jì)的存在使Al/PTFE 塊體材料之間存在一定縫隙，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊波傳播過程受到一定的弱化。但是，對(duì)于計(jì)算模型而言，4 片堆疊而成的Al/PTFE 塊體材料是連續(xù)整體，即塊體之間并無縫隙。因此，認(rèn)為表3 中Al/PTFE 材料三項(xiàng)式點(diǎn)火增長模型參數(shù)可用于該類材料沖擊反應(yīng)過程的模擬。

圖10 在10 和5 mm 隔板厚度條件下沖擊波壓力的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值Fig. 10 Simulated and experimental results of shock pressure with the partition of 10 and 5 mm in thickness

為了進(jìn)一步理解沖擊波在Al/PTFE 材料中傳播行為，設(shè)計(jì)了 ? 50 mm×500 mm 的試樣。圖11 為 ? 50 mm×500 mm 試樣的拉氏實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型。該模型仍然為二維軸對(duì)稱模型，起爆方式為中心點(diǎn)起爆，材料側(cè)向邊界條件設(shè)置為自由邊界條件，其尾端設(shè)置為無反射邊界條件，網(wǎng)格類型為拉格朗日網(wǎng)格，網(wǎng)格特征尺寸為0.5 mm。計(jì)算模型由主發(fā)藥、鋁隔板和Al/PTFE 試樣組成。分別選取2 種規(guī)格的鋁隔板厚度：2 和10 mm。樣品中沿軸向設(shè)置10 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，間距為50 mm。

圖11 拉氏實(shí)驗(yàn)500 mm 長樣品計(jì)算模型Fig. 11 The calculation model of the Lagrangian experiment for the specimen of 500 mm in length

圖12 為鋁隔板厚度為2 和10 mm 時(shí)的壓力-時(shí)間曲線。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)鋁隔板厚度為10 mm，沖擊波傳播至250 mm 距離時(shí)，沖擊波峰值壓力不斷衰減，從8.40 GPa 降低至1.39 GPa；沖擊波傳播至300～450 mm 時(shí)，沖擊波峰值壓力穩(wěn)定在1.30 GPa。當(dāng)鋁隔板厚度為2 mm，沖擊波傳播至250 mm 距離時(shí)，沖擊波峰值壓力不斷衰減，從18.00 GPa 降低至1.42 GPa，沖擊波傳播至300～450 mm 時(shí)，沖擊波峰值壓力穩(wěn)定在1.30 GPa。沖擊波傳播達(dá)到300 mm 位置時(shí)，沖擊波峰值壓力達(dá)到穩(wěn)定，并未呈現(xiàn)繼續(xù)衰減的趨勢(shì)。相比于炸藥沖擊反應(yīng)而言，Al/PTFE 材料化學(xué)反應(yīng)釋能能力較弱，在強(qiáng)沖擊波加載條件下，沖擊波并未呈現(xiàn)增長現(xiàn)象，而是在沖擊波傳播初期呈現(xiàn)隨距離衰減的現(xiàn)象，這主要是由材料屬性決定的。側(cè)向稀疏波對(duì)沖擊波壓力的衰減作用主要發(fā)生在峰值壓力之后的演化過程。相比于惰性材料而言，Al/PTFE 材料沖擊波峰值壓力在一定距離后趨于穩(wěn)定，并不會(huì)隨距離不斷衰減。另外，炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹產(chǎn)生的追趕稀疏波有可能追趕上沖擊波，并對(duì)其產(chǎn)生衰減作用。但化學(xué)反應(yīng)能量釋放對(duì)沖擊波能量衰減進(jìn)行補(bǔ)償，維持沖擊波的傳播，阻礙了沖擊波峰值壓力的不斷衰減。這是在Al/PTFE 這類活性材料中，含化學(xué)反應(yīng)沖擊波傳播行為的典型特征。

圖12 不同鋁隔板厚度時(shí)壓力時(shí)間曲線Fig. 12 Pressure-time curves with different aluminum partition thicknesses

對(duì)沖擊波在2 種鋁隔板厚度條件下的傳播速度進(jìn)行了分析。圖13 為鋁隔板厚度為10 和2 mm 的條件下沖擊波速度的變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明，沖擊波傳播速度隨距離增加不斷降低，并最終穩(wěn)定在2180 m/s。沖擊波傳播經(jīng)過300 mm 后波速基本保持穩(wěn)定，該結(jié)論與圖12 中給出的沖擊波壓力隨時(shí)間變化的傳播規(guī)律一致。沖擊波穩(wěn)定波速遠(yuǎn)高于Al/PTFE 材料彈性波速1450 m/s。這也是由于活性材料反應(yīng)釋能對(duì)沖擊波傳播具有影響造成的。該現(xiàn)象與Dolgoborodov 等的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致，Dolgoborodov 等采用高氯酸銨為引發(fā)藥、有機(jī)玻璃作為隔板，通過爆炸沖擊加載低孔隙率的Al/PTFE活性材料試樣，也觀測(cè)了到穩(wěn)定的傳爆過程。

圖13 隔板厚度分別為10 和2 mm 時(shí)沖擊波速度隨傳播距離的變化曲線Fig. 13 Change of the shock wave velocity with propagation distance when the partition thicknesses are 10 and 2 mm,respectively

進(jìn)一步對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)反應(yīng)度的演化過程進(jìn)行了分析。圖14 為鋁隔板厚度為10 和2 mm 時(shí)反應(yīng)度-時(shí)間曲線。兩種情況下，反應(yīng)度均隨著沖擊波傳播距離的增加而不斷降低。當(dāng)沖擊波傳播到450 mm 位置時(shí)，該位置Al/PTFE 材料的反應(yīng)度降低至約0.17。根據(jù)Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型（式(4)）可知，Al/PTFE 材料的反應(yīng)度由沖擊波壓力控制。材料反應(yīng)釋能對(duì)沖擊波的傳播具有增強(qiáng)效果。但是，相比于傳統(tǒng)高能炸藥而言，Al 和PTFE 的反應(yīng)速率較低，且反應(yīng)產(chǎn)物沒有大量氣體生成，這導(dǎo)致對(duì)沖擊波的增強(qiáng)效果不明顯。進(jìn)而，在沖擊波傳播經(jīng)過前250 mm 距離過程中，沖擊波幅值不斷降低并持續(xù)傳播?？紤]Al/PTFE 材料自身強(qiáng)度遠(yuǎn)低于沖擊波穩(wěn)定傳播壓力幅值1.30 GPa，這證明了穩(wěn)定傳播沖擊波并不是彈性波，且正是材料化學(xué)反應(yīng)維持了該沖擊波的穩(wěn)定傳播。值得說明的是，相比于鋁隔板厚度為10 mm 的情況，當(dāng)鋁隔板厚度為2 mm 時(shí)，第1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的反應(yīng)度略高，約為0.48。這是因?yàn)楦舭搴穸葹? mm 條件下的沖擊波入射壓力比隔板厚度為10 mm 條件下的約高10.00 GPa，根據(jù)Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型（式(4)），Al/PTFE 材料的反應(yīng)速率隨著沖擊波加載壓力的提高而升高，因此，相應(yīng)反應(yīng)度也會(huì)隨沖擊波加載壓力的提高而增大。

圖14 不同鋁隔板厚度時(shí)反應(yīng)度時(shí)間曲線Fig. 14 Reaction degree-time curves with different aluminum partition thicknesses

4 結(jié) 論

針對(duì)Al/PTFE 活性材料在沖擊波加載條件下的響應(yīng)特性問題，考慮Al/PTFE 活性材料的化學(xué)反應(yīng)，通過拉氏實(shí)驗(yàn)分析方法，結(jié)合AUTODYN 有限元數(shù)值模擬，研究了Al/PTFE 活性材料在沖擊加載條件下的壓力演化、反應(yīng)度演化以及沖擊波傳播速度等特征，得到以下主要結(jié)論。

(1)通過拉氏實(shí)驗(yàn)，獲得了沖擊波在Al/PTFE 活性材料中傳播規(guī)律，在短距離傳播過程中，沖擊波壓力存在明顯的衰減。對(duì)于沖擊波波速，在5 和10 mm 隔板厚度條件下，由于活性材料快速反應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。并且入射沖擊波壓力越高，Al/PTFE 活性材料對(duì)沖擊波傳播時(shí)速度的影響越明顯。

(2)基于AUTODYN 有限元數(shù)值模擬，利用拉氏實(shí)驗(yàn)壓力曲線標(biāo)定了適用于Al/PTFE 活性材料的Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火反應(yīng)模型參數(shù)，并驗(yàn)證了該模型及參數(shù)的有效性。

(3)通過對(duì)500 mm 長的Al/PTFE 活性材料拉氏實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，獲得了沖擊波壓力和沖擊波速度的演化規(guī)律，沖擊波壓力和沖擊波速度分別趨于1.30 GPa 和2180 m/s，材料反應(yīng)度趨于0.17。Al/PTFE 活性材料化學(xué)反應(yīng)釋能，有效阻止了沖擊波傳播過程的能量耗散，導(dǎo)致沖擊波壓力和沖擊波速度的穩(wěn)定值遠(yuǎn)高于材料強(qiáng)度和材料聲速。