Fe颗粒增强Al/PTFE反应材料的力学性能、冲击反应特性及能量释放效应

铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)复合材料是一种非常有前景的反应结构材料。为了提高材料的力学性能和反应性,将Fe颗粒加入Al/PTFE反应材料中。对Al/PTFE/Fe反应材料进行准静态和动态压缩试验,观察到明显的应变和应变率硬化现象,且当Fe含量为30%(质量分数)时,在5000 s^(-1)的应变率下,抗压强度达191.8 MPa,较Al/PTFE提升了39%。定向的PTFE纳米纤维丝能有效地阻碍裂纹的扩展。通过高速摄影对霍普金森杆和落锤冲击下的能量释放进程进行观察,且通过新设计的装置对反应活性进行定量表征。结合TG-DSC和XRD,明确了Al/PTFE和Al/Fe之间的反应。通过霍普金森杆的实验数据建立Johnson-Cook本构模型,模型结果与实验数据吻合较好。在冲击状况下,材料的反应性是多重行为的结果。

基于CT图像的Al/PTFE反应材料冲击压缩行为的三维细观模拟研究

为了研究铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)反应材料的细观冲击响应,采用理论与数值模拟的方法对Al/PTFE反应材料的冲击压缩行为进行了研究。基于三项式物态方程和混合物叠加原理,计算了Al/PTFE反应材料的冲击Hugoniot曲线及Al与PTFE材料的冲击压力—冲击温升关系;采用纳米CT获得了材料的三维细观图像,并采用数字图像处理和网格映射方法,建立了基于材料真实细观结构的三维有限元模型,计算获得的冲击Hugoniot关系与理论结果吻合较好。数值模拟研究结果表明,Al/PTFE反应材料在细观冲击压缩过程中,材料细观尺度上的波阵面呈不平整状态;铝颗粒主要受到沿冲击方向上的压缩作用,形状并未发生明显改变,W颗粒的加入使邻近的Al颗粒剧烈变形;冲击压缩后PTFE基体的温度明显高于Al颗粒的温度。当撞击速度为1500m/s时,PTFE基体的温度达3000K以上,而铝颗粒仅为400K左右。

非平衡态Al/PTFE反应材料制备及其热性能

用机械合金化方法制备了Al-Ni-Ti-Zr非平衡态合金粉末。将制备的Al基非平衡态合金粉末与聚四氟乙烯(PTFE)微米粉混合压制制备了非平衡态Al-Ni-Ti-Zr/PTFE反应材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了球磨过程中粉末的相组成和形貌特征。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析了球磨后合金粉末的相结构。利用差示扫描量热法(DSC)分析了非平衡态Al/PTFE反应材料的热行为。结果表明:通过机械合金化方法可以制备出Al基非平衡态合金粉末。存在弥散在Al基非晶基体中的纳米级微晶岛状区域。在升温速率10 K·min^(-1)、空气气氛下,非平衡态Al/PTFE反应材料的反应峰值温度为495℃,放热峰积面积为1775 J·g^(-1)。连续升温条件下,非平衡态Al/PTFE反应材料的放热反应具有典型的动力学特征,通过Kissinger法计算的反应活化能E_c为309.1 kJ·mol^(-1)。

碳纤维对PTFE/Al反应材料动态力学行为和点火特性影响研究

本研究旨在探讨短切碳纤维(carbon fiber,CF)单丝对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)反应材料动态力学和点火特性的影响.首先,制备了PTFE/Al和PTFE/Al/CF反应材料,开展了材料的动态力学性能测试,获得了力学性能与点火参数,记录了冲击压缩过程.结果表明,添加CF导致PTFE/Al材料的弹性模量大幅降低,弹性模量因子的应变率效应与失效应变因子的应变率效应降低.在此基础上,分析了不同CF质量分数对反应材料的冲击压缩过程与回收试件、冲击点火速度(应变率)阈值的影响.结果表明,纤维通过固结强化作用,低CF质量分数的PTFE/Al/CF试件具有较好的抗动态压缩性和能量吸收效果.随着CF质量分数的提高,TFE/Al/CF反应材料速度(应变率)点火阈值降低,反应强度和反应时间有提高.为碳纤维填充改性PTFE/Al反应材料的设计和冲击应用提供参考.

PTFE/Al反应材料制备工艺及性能

氟聚物基反应材料是一种主要由氟聚物和金属填料组成的亚稳态含能复合材料,也是近年来国外研究报道较多的一种新型含能材料。采用冷压、热烧结法制备了PTFE/Al反应材料,测试了其理化性能、热分解性能和力学性能,在此基础上,进一步研究了压制成型和烧结工艺参数。

钨含量对氟聚物基含能材料放热反应与燃烧性能的影响

为了探索钨对氟聚物基含能材料放热反应与燃烧性能的影响,采用双重球磨混料工艺制备了不同钨含量的氟聚物基含能材料,借助SEM和XRD表征了含能材料燃烧反应前后的微观结构;用氧弹量热仪和同步热分析仪(TG-DSC)分析了含能材料放热反应的释能密度和反应机理,并利用高速热成像相机对含能材料的燃烧特性进行评价。结果表明,随着钨质量分数由0增至30%,氟聚物基含能材料的放热反应释能密度由3690 J/g降至2695 J/g,燃烧速率从40.5 mm/s降至19.6 mm/s;不加钨时,含能材料燃烧火焰的温度最低;随着钨含量增加,火焰温度先显著升高然后缓慢降低;这是由于钨的加入减缓了Al与PTFE放热反应的热量传递,推迟了Al与Fe_(2)O_(3)的放热反应进程。加入钨后生成W_(2)C的反应造成了更多放热反应累积叠加,使氟聚物基含能材料产生更剧烈的燃烧反应过程和更高的火焰温度。

高Al含量PTFE基材料爆炸冲击压缩特性及反应行为

针对PTFE/Al含能材料在战斗部中的应用需求,研究其在爆炸冲击加载下的压缩特性及反应行为.利用炸药透镜产生平面波加载含能材料的方法,通过锰铜压阻传感器测量被加载的PTFE/Al(质量分数50%,50%)含能材料内的不同位置处压力时间关系.根据测量数据,得到材料Hugoniot曲线、Murnagham等熵方程与Grüneisen状态方程.结果表明,PTFE/Al含能材料的冲击反应有延迟现象,反应延迟时间在1.0~2.6μs之间,爆炸冲击载荷引发材料反应的最小压力在11.93~17.98 GPa之间.

PTFE/Al复合材料的冲击反应阈值试验研究

通过16mm口径气枪发射PTFE/Al圆柱破片碰撞靶板的试验和冲击压缩的理论分析,研究了该材料在冲击条件下的反应阈值。实验中,通过4种试样长度、不同发射速度以及2024铝、45号钢和LDPE这3种靶板材料的组合,对比分析了碰撞应力和应变率对反应的影响,同时获得了PTFE/Al材料的冲击反应阈值。实验结果表明:碰撞应力和应变率均对PTFE/Al的冲击反应有影响,并且共同决定材料的反应情况;碰撞应力和应变率均高于临界值是PTFE/Al材料出现反应的必要条件。综合实验数据提出,PTFE/Al材料在本文所研究条件下反应的临界应力和应变率阈值分别为665 MPa和6 594s^(-1)。

Al/PTFE活性材料在炸药爆轰作用下的响应特性研究

为探究铝—聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料在炸药爆轰作用下的响应特性,采用JO-8及DHL两种高爆速炸药对活性材料进行了端面及对碰爆轰加载试验。通过转镜式高速扫描相机记录了炸药爆轰波及活性材料激发的响应迹线,并结合理论分析获取了2种爆轰加载方式下活性材料内的冲击波压力值。结果表明:端面爆轰加载下,Al/PTFE活性材料在初始高压约为33.59 GPa的入射冲击波作用下发生剧烈反应,但随着冲击波压力衰减,反应速率迅速降低,表明该活性材料不能发生自持爆轰;对碰爆轰加载下,Al/PTFE活性材料受到持续高压作用,虽然由滑移爆轰加载产生的入射冲击波初始压力仅为15.76 GPa,但冲击波在活性材料的中心处发生汇聚叠加,形成高压集中区,在该区域内发生了“类爆轰”反应,反应速率达到4 mm/μs,但其反应过程还需要进一步研究。此外,研究还表明,同轴组合装药结构可使活性材料受到炸药爆轰产生的持续强冲击加载,不仅能够显著提升其反应速率,还可避免其反应无法自持的问题,可为相关战斗部装药的设计提供参考。

乳液自组装法制备Al/B/PTFE含能微球及其性能表征

为了探究高活性金属含能微球的制备工艺以及燃烧性能,以Viton为黏结剂,聚四氟乙烯(PTFE)、硼粉(B)和铝粉(Al)为高能组分,采用乳液自组装技术制备了Al/B/PTFE含能微球,并对溶剂的挥发温度、乳化剂的种类、水相和油相的体积比和搅拌速度等工艺进行了优化;采用扫描电子显微镜(SEM)对Al/B/PTFE含能微球形貌进行了表征;采用TG-DSC法分析了Al/B/PTFE含能微球的热分解性能;通过高速摄影和密闭爆发器表征了Al/B/PTFE含能微球的燃烧反应性能。结果表面,水浴温度为25℃、乳化剂为PVA、水油比为80∶30和搅拌速度为700 r/min是Al/B/PTFE含能微球的最佳制备工艺;所制备的Al/B/PTFE含能微球的粒径均匀、球形度高且粒径可控,主要粒径分布范围在约300~900μm;微球的流散性、反应热、燃烧火焰面积和压力输出性能随着粒径的增加,出现先增加后减弱的现象;Al/B/PTFE含能微球的最大反应热,最大火焰面积和最高峰值压力为1097.97 J/g,186.06 cm^(2)和213.3 kPa,分别是物理混合样品的1.77倍、5.16倍和1.37倍。

增强型Al/PTFE含能材料的力学特性分析

Al/PTFE含能材料作为一种拥有侵彻与爆炸特性的活性毁伤元,在终点效应与毁伤领域具有重要的应用前景,但纯AVPTFE结构反应材料在强度上有一定的局限性,阻碍了其大范围的使用。文章在传统Al/PTFE(26.5%/73.5%)配方的基础上,通过烧结工艺,制备了一种增强型的Al/PTFE含能材料,基于实验及理论推导,开展了增强型Al/PTFE含能材料的力学行为研究。结果表明:增强型Al/PTFE含能材料在压缩过程中大致可分为弹性、屈服和致密化三个阶段;加载初期,增强型Al/PTFE含能材料动态弹性模量远大于试件在准静态加载时的弹性模量;低温可使增强型A1/PTFE试件的弹性模量与硬化模量差值逐渐减小、粘弹性性质减弱,其变形行为愈发接近于线弹性材料。

热压成型工艺制备PTFE/Al活性材料及其力学性能与撞击释能特性

为解决烧结工艺制备聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)存在成型时间长、温度过高等问题,采用冷压(25℃)与热压(180、200、220、240、300、330℃)方法制备PTFE/Al活性材料;利用准静态压缩试验,测试了活性材料的准静态力学性能;利用落锤测试系统定量分析撞击点火响应,以研究不同热压成型温度下活性材料力学性能及释能特性;采用阿基米德方式测试了活性材料的密度。结果表明,PTFE/Al活性材料在压制过程中存在密实均匀区,在40 MPa外界高压下可得到较为密实的试样;不同热压成型温度下的PTFE/Al活性材料呈脆性,抗压强度在11~13 MPa,当热压温度为300℃时,活性材料抗压强度最大为13.5 MPa,同时也具有一定的释能特性;当热压温度升高时PTFE/Al活性材料有更高的断裂韧性。由于成型温度不同,同时也导致其释能效率与初始激发能不同,与冷压成型试样相比,热压成型(300℃)试样释能效率提高3%左右。

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。

Al/PTFE亚稳态分子间复合物的制备及其在高温水蒸汽中的反应性能研究

为了提高铝与高温水蒸汽的反应活性,采用机械球磨法在不同球磨时间下制备得到了铝基聚四氟乙烯亚稳态分子间复合物(Al/PTFE);通过扫描电镜、激光粒径分析仪、X射线衍射、同步热分析仪研究了Al/PTFE的微观形貌、晶型及氧化性能;利用水蒸汽反应装置研究了Al/PTFE在高温水蒸汽中的点火性能;用扫描电镜、激光粒径分析仪、X射线衍射分析仪研究了Al/PTFE燃烧产物的微观形貌及组成。结果表明,Al/PTFE复合物的形貌随球磨时间的增加由片状向块状转变,粒度随球磨时间的增加而减小;3h球磨制备的Al/PTFE复合物与高温水蒸汽反应时展示出最佳的反应活性,反应产物的中值粒径(D_(50))为17.2μm;3h球磨制备的Al/PTFE复合物在600℃和700℃高温水蒸汽下的点火延迟时间分别为29s和15s,且点火温度比1h和5h球磨制备的Al/PTFE更低。

PTFE/Al/Fe_2O_3三元反应材料的力学及反应性能

为研究PTFE/Al/Fe_2O_3反应材料在准静态压缩和落锤撞击条件下的力学响应和反应特性,在PTFE/Al基础配方中加入不同体积分数的Fe_2O_3,制备了PTFE/Al/Fe_2O_3三元反应材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征,并用准静态压缩和落锤撞击试验研究了材料的力学和反应性能。结果表明,随着Fe_2O_3含量的增加,PTFE/Al/Fe_2O_3反应材料压缩强度先增加后减小,当Fe_2O_3体积分数为15%时,材料的压缩强度达到最大,为88MPa;含Fe_2O_3体积分数5%的反应材料在准静态压缩和落锤撞击条件下均能发生剧烈的爆炸反应,但对其反应产物的XRD分析表明,Fe_2O_3与Al之间的铝热反应并未被触发;Fe_2O_3体积分数为15%和25%的反应材料在准静态压缩条件下未见发火现象,但在落锤撞击试验中,发生了剧烈的爆炸和燃烧,并在其反应产物中检测到了AlF_3、Al_2O_3、Fe、FeF_2、FeO(OH)的衍射峰,表明发生了铝热反应。

PTFE/Al/CuO冲击激发反应材料性能分析

反应材料是一种由冲击引发的新型含能材料,其独特的力学和释能特性使其具有重要的应用前景。通过力学实验技术,分析一种基于压实烧结工艺制备的反应材料的组分和颗粒尺寸对材料性能的影响。在室温下利用万能材料试验机,得到不同配比反应材料的准静态压缩应力应变曲线。结果显示,未烧结的反应材料性能主要取决于(聚四氟乙烯)PTFE,烧结后的反应材料随着铜铝热剂含量增加屈服强度呈现先增加而后减小的变化趋势。采用纳米颗粒PTFE时,反应材料在烧结过程中容易发生反应,使得烧结后的反应材料强度反而弱于未烧结的。此外,还通过落锤实验观察分析了反应材料的发火能力。发现添加铜铝热剂有助于提升反应材料的反应能力,且采用纳米PTFE材料后也有助于提升材料反应能力。

Al/PTFE/SiC反应材料准静压性能研究

为了研究加入纳米SiC后Al/PTFE/SiC反应材料准静态压缩的力学性能和反应影响因素,采用模压烧结工艺制备了5类不同SiC含量的Al/PTFE/SiC试件,并开展准静态压缩实验,得到了真实应力应变曲线;根据试件的失效形貌特征,分析了准静态压缩下材料的力学性能和反应影响因素。结果表明:添加纳米SiC可提高Al/PTFE材料的弹性模量和屈服强度,降低失效应变值,少量的纳米SiC可提高Al/PTFE/SiC材料的抗压强度。

Al/Fe2O3/PTFE材料压缩力学性能与冲击反应特性

为研究铝/三氧化二铁/聚四氟乙烯(Al/Fe_2O_3/PTFE)材料在准静态压缩情况下的力学性能和落锤冲击条件下的反应特性,在Al/Fe_2O_3基础上加入不同体积分数的PTFE作为粘合剂,制备了多功能结构性Al/Fe_2O_3/PTFE含能材料,并用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征。结果表明,在准静态压缩条件下,随着PTFE含量的增加,材料的压缩强度、应变硬化模量、屈服强度、密度以及最大真实应变逐渐增大。当PTFE体积分数由40%增加到80%时,复合材料的强度由16 MPa逐渐上升到87 MPa。在落锤冲击条件下,PTFE体积分数为40%和60%的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料均能在落锤冲击下发生剧烈爆炸和燃烧,而加入80%PTFE的复合材料在高速摄影下也仅观察到微弱的火星,反应十分微弱。随着PTFE的增加,复合材料的感度逐渐降低,特性落高分别为55,58 cm和85 cm,发火延时分别为50,100μs和200μs。40%PTFE含量的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料落锤冲击后产物为AlF_3、Al_2O_3、FeF_2和炭黑,证实了铝热反应的发生,FeF_2不是PTFE与Fe_2O_3反应的产物,而是由铝热反应产生的Fe与PTFE分解产物之间的化学反应产生的。

不同PTFE含量对PTFE/Al/MnO_2反应材料性能的影响

为研究聚四氟乙烯(PTFE)含量对PTFE/Al/MnO_2反应材料的压缩力学性能和冲击反应特性的影响,使用模压烧结法制备了3种PTFE/Al/MnO_2复合材料,并进行了表征。结果表明:在准静态压缩条件下,含40%PTFE的复合材料强度仅为16MPa,经历弹性形变后很快失效。而加入60%和80%PTFE的复合材料在经过弹性阶段后,材料强度达到87MPa和93MPa;在落锤冲击条件下,加入40%和60%PTFE后,PTFE/Al/MnO_2材料能够发生剧烈爆炸和燃烧,并伴随着高温熔渣喷射现象,而80%的PTFE加入后材料反应十分微弱。

PTFE/Al含能复合材料的压缩行为研究

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料.研究了室温下Al含量和应变率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6×10^(-3)s^(-1)～8×10~3s^(-1).材料压缩性能的应变率效应明显:与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提高,但应变降低.材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分.随着Al含量的增加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在Al含量为35%时达到最高值102.6 MPa和154 MPa;引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值差别不明显,基本在165 MPa左右,材料引发后反应完全性降低.