Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟作用下的響應(yīng)特性研究

李凌峰,王 輝,韓秀鳳,沈 飛

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；2.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)，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(yīng)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(jí)的鋁粉和聚四氟乙烯粉末通過(guò)研磨、混合、壓裝、燒結(jié)等工藝制成[1]。聚四氟乙烯具有密度高、熱力學(xué)特性優(yōu)良、穩(wěn)定安全等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)活性，從而可提高材料的能量密度及反應(yīng)速率[2]。在高溫高壓作用下聚四氟乙烯會(huì)分解為單體CF4和CF2等，擴(kuò)散到鋁粉顆粒表面，自身或與空氣等在接觸面上發(fā)生劇烈反應(yīng)[3]，特定條件下甚至發(fā)生爆炸反應(yīng)，從而釋放大量能量，因而Al/PTFE活性材料在外界激發(fā)作用下的反應(yīng)特性研究廣受關(guān)注。

葛超等[4]基于氣炮試驗(yàn)研究了Al/PTFE活性材料的沖擊反應(yīng)閾值，獲得了相應(yīng)的臨界沖擊加載應(yīng)力和應(yīng)變率。張軍等[5]通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、落錘撞擊、高速撞靶試驗(yàn)，研究了ZrH2填充改性的Al/PTFE活性材料的力學(xué)特性和毀傷效應(yīng)。Reinhart等[6]使用推進(jìn)劑和輕氣槍開(kāi)展了Al/PTFE混合物撞擊靶板試驗(yàn)，研究了該材料在高溫高壓條件下的反應(yīng)特性，并開(kāi)發(fā)了其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。Saikov等[7-8]進(jìn)行了W/PTFE/Al系統(tǒng)的沖擊加載和燃燒試驗(yàn)，對(duì)過(guò)程中的燃燒速率、溫度及產(chǎn)物組分等進(jìn)行測(cè)量，并分析了材料的沖擊引發(fā)機(jī)理及反應(yīng)過(guò)程。這些研究主要集中于Al/PTFE活性材料在機(jī)械撞擊下的力學(xué)響應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用，關(guān)于其在炸藥爆炸作用下的反應(yīng)特性及釋能效應(yīng)的研究也逐漸增多。王輝等[9]針對(duì)含Al/PTFE活性材料包覆層的裝藥開(kāi)展了內(nèi)爆炸試驗(yàn)，分析了活性材料包覆層與炸藥質(zhì)量比例等因素對(duì)裝藥內(nèi)爆性能的影響規(guī)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(jié)合火球、溫度及壓力等數(shù)據(jù)分析了活性材料的反應(yīng)過(guò)程及對(duì)炸藥爆炸釋能的增益規(guī)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(yīng)速率可能顯著提高，且其本身具有高能的優(yōu)勢(shì)，則有望產(chǎn)生較強(qiáng)的毀傷效果。因此，研究活性材料在高能炸藥爆轟產(chǎn)生的高溫高壓條件下的激發(fā)及反應(yīng)特性對(duì)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(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)對(duì)Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟作用下的反應(yīng)激發(fā)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)活性材料在炸藥的端面爆轟加載和對(duì)碰爆轟加載2種作用方式下的響應(yīng)特性進(jìn)行分析，以期為Al/PTFE活性材料在爆炸毀傷領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)

2.1 端面爆轟加載試驗(yàn)

1) 樣品

試驗(yàn)選用的主裝藥為JO-8，密度為1.81 g/cm3，尺寸為Φ40 mm×40 mm；擴(kuò)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(jí)的球形鋁粉和100 nm級(jí)的聚四氟乙烯粉末，添加適量粘結(jié)劑后均勻混合，采用粉末壓制成型工藝制備。根據(jù)活性材料組分間的主要反應(yīng)：4Al+3C2F4→4AlF3+6C，將其組分的質(zhì)量比例設(shè)計(jì)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(jié)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(fā)及響應(yīng)過(guò)程，試驗(yàn)采用GSJ轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)記錄JO-8炸藥及活性材料的反應(yīng)傳播的軌跡。試驗(yàn)布局如圖1所示，掃描相機(jī)的狹縫觀測(cè)位置與樣品的母線重合，高速相機(jī)的掃描速度設(shè)定為6 mm/μs。

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

3) 結(jié)果及判讀

試驗(yàn)得到掃描底片如圖2所示，其中橫向坐標(biāo)與相機(jī)掃描速度的比值可反映時(shí)間，縱向坐標(biāo)可反映JO-8和活性材料的軸向長(zhǎng)度；黑色區(qū)域代表曝光部分，試驗(yàn)過(guò)程中，高溫高壓的爆轟產(chǎn)物與空氣碰撞、活性材料的劇烈反應(yīng)以及沖擊波陣面壓縮空氣都可能發(fā)光，從而在底片上產(chǎn)生曝光痕跡。對(duì)底片中的黑白界面進(jìn)行數(shù)字化判讀，得到發(fā)光陣面的位移-時(shí)間曲線如圖3(a)所示，通過(guò)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(yàn)的波形掃描底片F(xiàn)ig.2 Waveform scan negative of the end surface detonation loading test

由圖3(a)可以得出，初始穩(wěn)定平滑的發(fā)光陣面曲線①代表JO-8的爆轟發(fā)展過(guò)程，約4 μs時(shí)，爆轟波陣面?zhèn)鞑ブ罦O-8末端，此時(shí)波形出現(xiàn)兩條顯著的分叉曲線②和③。由于沖擊波在活性材料內(nèi)傳播時(shí)難以壓縮密實(shí)介質(zhì)發(fā)光，且透射出材料外的波陣面壓力顯著衰減，壓縮空氣產(chǎn)生的光強(qiáng)較弱，曝光不強(qiáng)，所以判斷曲線②為活性材料反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)光面的傳播軌跡，也是活性材料內(nèi)部沖擊波陣面的移動(dòng)軌跡；而曲線③是爆轟產(chǎn)物離開(kāi)炸藥端面后繼續(xù)行進(jìn)的軌跡。圖3(b)顯示了這3種軌跡的移動(dòng)速度，其中，JO-8的爆速約為8.7 mm/μs，與已知參數(shù)相符，表明試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確；活性材料發(fā)光面的移動(dòng)速度從約4 mm/μs迅速降至約2 mm/μs，已接近其聲速，推測(cè)活性材料在入射沖擊波的初始高壓激發(fā)下發(fā)生較強(qiáng)的劇烈反應(yīng)，且反應(yīng)速率迅速衰減，這與Dolgoborodov等[11-13]的研究結(jié)果相似。但活性材料的后續(xù)反應(yīng)過(guò)程被爆轟產(chǎn)物掩蓋，在底片上難以判別。

圖3 端面爆轟加載試驗(yàn)的底片判讀結(jié)果Fig.3 Negative interpretation results of the end surface detonation loading test

為了進(jìn)一步判斷活性材料的反應(yīng)情況，降低爆轟產(chǎn)物的干擾，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jī)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(yàn)得到的底片如圖4所示。

圖4 增加有機(jī)玻璃后的波形掃描底片F(xiàn)ig.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(dá)炸藥與有機(jī)玻璃分界面后發(fā)光陣面出現(xiàn)分叉，即曲線b和c。其中，曲線b前端帶有明顯的平臺(tái)，推測(cè)該曲線代表爆轟產(chǎn)物的發(fā)光陣面，平臺(tái)的產(chǎn)生是由于爆轟產(chǎn)物的傳播受到有機(jī)玻璃的阻攔，與有機(jī)玻璃表面發(fā)生碰撞產(chǎn)生曝光，同時(shí)傳播速率降低；曲線c代表活性材料反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)光陣面，由于有機(jī)玻璃的存在，其前端與曲線a尾部之間存在間隔(見(jiàn)圖4中的放大部分)，在有機(jī)玻璃與活性材料界面處開(kāi)始出現(xiàn)較強(qiáng)曝光，但持續(xù)時(shí)間較短，表明活性材料在炸藥的爆轟作用下產(chǎn)生了劇烈反應(yīng)而放出強(qiáng)光，但反應(yīng)迅速衰減而無(wú)法自持。

該試驗(yàn)阻止了爆轟產(chǎn)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(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，在現(xiàn)象上與未加有機(jī)玻璃的試驗(yàn)有較大差別。然而，在爆轟加載作用下，爆轟產(chǎn)物對(duì)于活性材料響應(yīng)特性的影響機(jī)理還有待深入研究。

2.2 對(duì)碰爆轟加載試驗(yàn)

1) 樣品

試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu)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(jié)Φ30 mm×30 mm藥柱粘接而成)，外層裝藥采用DNTF基熔鑄炸藥(代號(hào)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(kuò)爆藥柱，尺寸為Φ25 mm×25 mm。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the charge structure

2) 裝置及布局

對(duì)于圖5所示的裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)炸藥爆轟后，活性材料處于內(nèi)聚壓力作用狀態(tài)，由于表層DHL爆轟干擾，沿裝藥母線掃描時(shí)難以觀測(cè)到內(nèi)層活性材料的反應(yīng)狀態(tài)，因此將高速掃描相機(jī)的狹縫線對(duì)準(zhǔn)組合裝藥的尾部端面，獲取其直徑方向的爆轟波形，試驗(yàn)布局如圖6所示。同時(shí)，將高速相機(jī)的掃描速度設(shè)定為6 mm/μs。

圖6 對(duì)碰爆轟加載試驗(yàn)裝置及布局Fig.6 Device and layout of the head-on collision detonation loading test

3) 結(jié)果及判讀

試驗(yàn)得到掃描底片如圖7所示，其中，縱向坐標(biāo)可反映出組合裝藥的尾部端面直徑上各點(diǎn)的狀態(tài)。對(duì)底片中的跡線進(jìn)行數(shù)字化判讀，得到發(fā)光陣面的位移-時(shí)間曲線如圖8所示。

圖7 對(duì)碰爆轟加載試驗(yàn)的波形掃描底片F(xiàn)ig.7 Waveform scan negative of the head-on collision detonation loading test

圖8 對(duì)碰爆轟加載試驗(yàn)的底片判讀結(jié)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(shí)壓縮空氣產(chǎn)生的發(fā)光陣面；曲線Ⅱ曝光很淺，推測(cè)是由DHL爆轟產(chǎn)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(duì)應(yīng)區(qū)域的直徑約為10 mm，該部分在底片的曝光度顯著增強(qiáng)，推測(cè)是活性材料內(nèi)的沖擊波向裝藥軸線方向傳播，并在軸線附件區(qū)域發(fā)生碰撞而產(chǎn)生更強(qiáng)的高壓，從而激發(fā)活性材料發(fā)生劇烈反應(yīng)，并在底片上形成強(qiáng)曝光。曲線Ⅲ與曲線Ⅰ時(shí)間間隔約為13 μs，結(jié)合DHL的爆速及裝藥長(zhǎng)度可計(jì)算出沖擊波在裝藥軸線附近區(qū)域(即曲線Ⅲ對(duì)應(yīng)區(qū)域)的傳播速度約為4 mm/μs，遠(yuǎn)大于其聲速，且該區(qū)域發(fā)出的光線較強(qiáng)，則可判斷活性材料在該區(qū)域發(fā)生了“類爆轟”反應(yīng)[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(fā)壓力均不同，響應(yīng)特性也有所差異。下面結(jié)合爆轟加載相關(guān)理論計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中活性材料所受沖擊波的相關(guān)參數(shù)，為試驗(yàn)結(jié)果判讀提供依據(jù)。

端面爆轟加載條件下，炸藥爆轟產(chǎn)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(qiáng)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(duì)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(cè)向爆轟加載作用，DHL炸藥以滑移爆轟方式進(jìn)行側(cè)向加載時(shí)，其爆轟產(chǎn)物p(u)曲線滿足[2]：

(2)

沖擊波波速和粒子速度之間關(guān)系為：

v=c0+λu

(3)

Al/PTFE活性材料的沖擊絕熱線可以表達(dá)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(gòu)方程參數(shù)，取2.26[16]。

由式(1)、式(3)、式(4)可計(jì)算出端面爆轟加載時(shí)活性材料所受初始?jí)毫及波陣面后的粒子速度u，即圖9中的炸藥爆轟產(chǎn)物的p(u)曲線與Al/PTFE活性材料沖擊絕熱線的交點(diǎn)坐標(biāo)；由式(2)—式(4)可計(jì)算出滑移爆轟加載時(shí)的相關(guān)參量。

炸藥爆轟產(chǎn)物的p(u)曲線與Al/PTFE活性材料沖擊絕熱線的交點(diǎn)坐標(biāo)即為爆轟加載下入射到活性材料中的沖擊波初始?jí)毫筒嚸婧蟮牧Ｗ铀俣?，繪出曲線如圖9所示。

圖9 應(yīng)力波傳遞分析圖Fig.9 Analysis diagram of stress wave transmission

圖9中的點(diǎn)K和N的具體數(shù)據(jù)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(shù)Table 1 Parameters of the incident shock wave

由于計(jì)算過(guò)程均未考慮邊界稀疏波影響，相比于實(shí)際結(jié)果偏大[17]。計(jì)算結(jié)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(fā)壓力達(dá)到DHL滑移爆轟加載條件下約兩倍多。

沖擊波入射到密實(shí)活性材料介質(zhì)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(nèi)的沖擊波壓力，GPa；x為沖擊波在活性材料內(nèi)的傳播距離，mm；η為與材料性質(zhì)相關(guān)的衰減系數(shù)。

從式(5)可以看出活性材料內(nèi)沖擊波壓力隨著傳播距離的增加會(huì)呈指數(shù)衰減，這意味著各部分活性材料受到的激發(fā)壓力差異很大，文獻(xiàn)[19]中結(jié)合泰勒桿試驗(yàn)給出了活性材料的激活點(diǎn)火時(shí)間與激發(fā)壓力的關(guān)系：

(p*-pc)0.5·t=15

(6)

式中：pc為材料受激響應(yīng)點(diǎn)火壓力閾值；t為響應(yīng)點(diǎn)火時(shí)間。

顯然，隨著沖擊波傳播距離的增加，激發(fā)壓力降低，因而活性材料的點(diǎn)火時(shí)間增長(zhǎng)，反應(yīng)速率降低，各個(gè)部分的響應(yīng)特性也有所不同。根據(jù)壓力計(jì)算結(jié)果分析得到炸藥端面爆轟加載和對(duì)碰爆轟加載2種方式下活性材料各部分所受激發(fā)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(jié)合試驗(yàn)結(jié)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(nèi)的沖擊波呈指數(shù)衰減，活性材料反應(yīng)速率也迅速降低，這與端面爆轟試驗(yàn)獲得底片中的現(xiàn)象及判讀結(jié)果一致；對(duì)碰爆轟加載條件下，活性材料內(nèi)的沖擊波在特定區(qū)域發(fā)生匯聚后產(chǎn)生較高的激發(fā)壓力，尤其在裝藥軸線附近產(chǎn)生更高程度的疊加，形成更高的壓力，該區(qū)域內(nèi)的活性材料反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生“類爆轟”反應(yīng)，在對(duì)碰爆轟試驗(yàn)獲取的底片中顯示出高曝光度。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合端面、對(duì)碰2種炸藥爆轟加載試驗(yàn)和入射沖擊波的高壓計(jì)算分析了Al/PTFE活性材料在炸藥爆轟加載下的響應(yīng)特性，得到了下列結(jié)論：

1) 端面爆轟作用下，活性材料在初始?jí)毫s為33.59 GPa的高壓激發(fā)作用下發(fā)生劇烈反應(yīng)，但由于沖擊波的衰減導(dǎo)致反應(yīng)速率迅速降低而無(wú)法自持。

2) 對(duì)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(xù)滑移爆轟加載，其中滑移爆轟加載方式產(chǎn)生的入射沖擊波初始?jí)毫?5.76 GPa。爆炸產(chǎn)生的沖擊波入射活性材料，在中心部分匯聚形成高壓區(qū)域，其中的活性材料發(fā)生“類爆轟”反應(yīng)，平均反應(yīng)速度達(dá)到4 mm/μs。

3) 設(shè)計(jì)含Al/PTFE活性材料的戰(zhàn)斗部裝藥時(shí)，可采用同軸組合裝藥結(jié)構(gòu)，使活性材料受到炸藥爆轟產(chǎn)生的持續(xù)強(qiáng)沖擊加載，不僅能夠顯著提升其反應(yīng)速率，還可避免反應(yīng)無(wú)法自持的問(wèn)題，以達(dá)到更為顯著的毀傷效果。