超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。

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。

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.

铝基核壳材料AP/Al的制备及性能研究

以AP和铝粉为原料,采用“AP预处理+表面沉积”两步法工艺制备了以铝粉为“壳”的铝基核壳材料AP/Al;采用SEM-EDS、粒度分析、密度测试等方法表征了AP/Al的表面形貌、元素分布、粒度分布和密度等物理特性,对比测试了铝基核壳材料AP/Al的感度性能、热分解性能、爆热及残渣活性铝含量并与AP/Al物理混合物进行了对比;运用Flynn-Wall-Ozawa方程计算了AP/Al物理混合物及铝基核壳材料AP/Al的分解活化能,并通过高速摄像机记录了铝基核壳材料AP/Al的燃烧特性。结果表明,铝基核壳材料AP/Al是以AP为“核芯”、铝粉为“壳”,密度为2.0485 g/cm^(3)的类球形颗粒;相比于物理混合物,铝基核壳材料AP/Al静电火光感度由27.94 mJ提高至102.88 mJ,AP低温分解和高温分解活化能分别提升10.9和9.0 kJ/mol,爆热值未出现明显降低(物理混合物为9298.4 J/g,铝基核壳材料AP/Al为9260.6 J/g),但铝基核壳材料AP/Al残渣中活性铝质量分数降低90%以上;有别于传统铝粉燃烧的拖拽火焰,铝基核壳材料AP/Al燃烧时,铝液滴溅射大量细颗粒铝珠,且燃烧火焰更加均匀、明亮。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下，利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE／Al含能复合物在应变率10^-3～10^3S^-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析，初步建立了材料基于Johnson—Cook塑性模型的压缩本构方程，考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE／Al弹丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合，验证了该方程的可靠性和合理性，对PTFE／Al材料的实际应用也具有一定的指导作用。

PTFE/Al_2O_3纳米复合材料的摩擦磨损性能研究

利用MM-200型摩擦磨损试验机研究了PTFE/Al_2O_3纳米复合材料的摩擦磨损性能,并采用扫描电子显微镜观察、分析了试样磨屑形状及磨损机理。结果表明,经表面处理的纳米Al_2O_3能明显提高PTFE的耐磨损性并改变其磨屑形成机理;当表面处理纳米Al_2O_3含量为3％时,PTFE纳米复合材料的磨损量最小,但在试验范围内,表面处理纳米Al_2O_3含量变化对PTFE纳米复合材料的耐磨损性影响不大,而PTFE纳米复合材料的摩擦系数则随表面处理纳米Al_2O_3含量增加而略有增大,导致PTFE磨损的机理主要是粘着磨损。

纳米Al_2O_3/PTFE复合材料的制备及其力学性能

以纳米Al2 O3 为填料 ,制备了纳米Al2 O3 填充PTFE复合材料 ,研究了纳米Al2 O3 的含量对PTFE复合材料性能的影响。结果表明 ,纳米Al2 O3 的加入使PTFE的拉伸强度和断裂延伸率有所下降 ,硬度增加 ;当Al2 O3 的质量分数为10 %时 ,PTFE复合材料的综合力学性能最佳 ;随着Al2 O3 含量的逐渐增加 。

多孔Fe_2O_3/Al复合含能材料的制备与表征

用溶胶-凝胶法结合超临界干燥法,制备了Fe2O3/Al复合含能材料。用SEM、XRD、BET等方法对Fe2O3/Al复合含能材料的结构进行了表征。结果表明,超临界法制备的Fe2O3/Al复合含能材料呈明显的纤维网络状结构;其中Al的平均粒径为40nm;比表面积为147.9m2/g,相比空白Fe2O3气凝胶明显下降,平均孔径为8nm,孔径分布比较均匀。

烧结工艺对Ni/Al/W含能反应材料性能的影响

采用粉末冶金工艺制备Ni/Al/W含能反应材料,对比研究550℃烧结温度下烧结时间对Ni/Al/W含能反应材料密度、抗压强度以及显微组织的影响,并通过烧结样品DSC曲线计算得到不同烧结时间Ni/Al/W材料的反应放热量,分析烧结样品的反应放热特征。研究表明,烧结温度为550℃、烧结时间为1~3 h时,Ni/Al/W材料的密度先降低后升高,抗压强度先升高后降低,反应放热量不断减小;烧结时间为2 h时,Ni/Al/W含能反应材料具有相对较高的密度、强度和反应放热量,密度达到9.8 g/cm3,准静态压缩强度为1 150 MPa,反应放热量为121.2 J/g。

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活性材料的动态力学行为和撞击点火特性

为探究铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料在动态载荷下的力学行为及其点火机理,采用分离式霍普金森压杆对不同成型压力下所制备的Al/PTFE试件进行动态压缩试验。试验结果显示,当应变率为2960~5150 s-1时,Al/PTFE试件在动态加载下呈现出典型的弹塑性力学行为,成型压力为50~150 MPa时,Al/PTFE试件的屈服强度和硬化模量并未表现出应变率效应。成型压力30~80 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值随成型压力的增加从28.77 m·s-1缓慢升高到29.22 m·s-1,材料的点火延迟时间始终保持在600~700μs。当成型压力达100 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值大幅下降至26.60 m·s-1,且随着撞击速度的提高,活性材料的点火延迟时间由1000~1100μs降到600~700μs。结合扫描电镜结果可知,成型压力为100~150 MPa时,活性材料内部的局部大尺寸孔洞是材料速度点火阈值下降的重要因素。Al/PTFE活性材料的撞击引发点火特性主要与外部载荷和内部微观形貌有关。