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。

Al粒径对PTFE/Al活性材料动态力学性能的影响

为探究Al粒径对PTFE/Al活性材料热化学反应特性和动态力学性能的影响,采用模压烧结成型法制备了4种含不同Al粒径的PTFE/Al活性材料试件,利用同步热分析仪和分离式霍普金森压杆实验系统对4种试件分别进行了相应的测试,得到了不同试件的热化学反应曲线以及不同应变率下的应力-应变曲线。结果表明,在10℃/min的升温速率下,纳米Al颗粒在500℃左右会与PTFE分解产物发生点火反应,而微米Al颗粒低于900℃未与PTFE分解产物发生反应;此外,成分为微米Al颗粒的PTFE/Al活性材料,其粒径越小,抗压强度越高;而纳米Al颗粒除因团聚导致的混合不均匀外,在相同质量下的颗粒数量大大增加,颗粒与颗粒之间的距离变小,颗粒周围基体的微小裂纹更容易汇聚成断裂裂纹,使抗压强度下降。研究结果可为PTFE/Al活性材料的工程应用提供重要参考。

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。

活性材料PTFE/Al动态压缩性能

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，研究两种不同配比的聚四氟乙烯／铝（PTFE／Al）活性材料（PA265和PA35）在高应变率下的力学压缩性能与加载反应性能，对比分析了铝含量不同对PTFE／Al活性材料的屈服强度，破坏性能，反应性能的影响。研究结果表明：两种PTFE／Al活性材料存在应变率效应，在应变率1000～8000s^-1范围，PA265的屈服应力为32～44MPa，PA35的屈服应力为40～55MPa。铝含量越高，PTFE／Al的屈服强度越高；在应变率3100～5800s^-1范围内，两种材料的破坏应力基本相同，约为143～153MPa；PA265和PA35的临界反应应力分别为157，163MPa；铝粉含量不能高于35％，否则由于缺少足够的氧化剂（PTFE）而普遍出现不完全燃烧反应的现象。

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。

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。

Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究

为了研究铝(Al)/聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2180 m/s;同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。

PTFE基活性材料毁伤元冲击靶板毁伤效应及影响因素

为探究PTFE基活性材料毁伤元对靶板的冲击毁伤效应,通过开展弹道冲击三层间隔靶板实验,研究了冲击速度、靶板结构和添加填料对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性材料毁伤效应的影响,揭示了弹丸的冲击反应行为和靶板的侵彻毁伤过程.结果表明:提高弹丸冲击速度,靶板扩孔模式由花瓣型撕裂转变为冲塞型穿孔,动能侵彻和爆炸冲击的耦合作用可对靶板造成更大程度的结构损伤.相同冲击速度下弹丸撞击钢板产生的冲击压力高于铝板,而撞击铝板时小峰值冲击诱发的初始活化有助于提升毁伤元的能量释放率.PTFE基活性材料的毁伤效能取决于冲击动能、反应热量、能量释放率和气体生成率的共同作用,W、Ni、Mg、MnO_(2)、TiH_(2)和ZrH_(2)的添加可以显著增强PTFE/Al的反应强度和毁伤效应.

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。

Al/PTFE活性材料的动力压缩力学特性数值模拟

为了研究Al/PTFE活性材料动态力学性能,采用LS-DYNA非线性动力学分析软件对SHPB实验过程进行了数值模拟,研究了撞击杆速度和材料配比对Al/PTFE试件动力压缩性能的影响。研究发现随着撞击杆速度增加试件的破坏程度的不断加剧,试件破坏表象明显的不同;在不同材料配比下,Al含量较低时,压缩性能具有明显的应变率效应。

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.

Al/TiH2/PTFE三元活性材料的热行为研究

为了研究铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH 2/PTFE)三元活性材料的反应机制,采用湿混法制备了Al/PTFE、TiH 2/PTFE、Al/TiH 2和Al/TiH 2/PTFE 4种复合材料;利用TG-DSC对其热分解和热反应行为进行了研究,采用XRD对不同温度下热反应产物进行了成分分析,利用氧弹量热仪对活性材料热值进行了测量。结果表明,Al/TiH 2/PTFE三元活性材料体系中,TiH 2受热首先分解为金属Ti和H 2,随着温度升高,Ti和Al分别被PTFE氧化为TiF 3(或TiF 4)和AlF 3;当温度约752℃时,未完全反应的金属Al和Ti发生化合反应生成Al 3Ti;XRD结果显示,从780℃开始,Ti和C发生化合反应生成TiC;氧弹量热结果表明,加入质量分数10%的TiH 2使Al/PTFE燃烧热值由13812 J/g增至14876 J/g,提高了近7.7%;TiH 2在Al/PTFE活性材料体系中能参与反应并有效提高材料的能量密度,达到了其作为高能添加剂的目的。

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.

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 。

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)。

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。

Al/PTFE与炸药组合装药的爆炸释能特性

为探究Al/PTFE活性材料与高能炸药组合装药的爆炸释能特性,制备了3种包含不同组分和质量的Al/PTFE活性材料的组合装药样品,并进行了爆炸试验,测量了不同距离处的自由场入射冲击波超压,拍摄了活性材料抛撒、反应、火球扩展等过程的图像,通过与裸装药静爆试验进行对比,分析了活性材料的反应特性及对冲击波超压参量的增益机理。结果表明,活性材料抛撒过程中经历了自身反应、与爆轰产物的无氧反应以及铝粉等与空气的有氧反应,相比于裸装药,二次反应增大了爆炸火球半径并大幅延长了火光持续时间,在中远场范围内有效增强了冲击波,2.5 m测点处冲击波超压和比冲量最大分别达到了裸装药的1.8倍和1.5倍,且铝粉浓度越高,增益比例相对越强,但随着传播距离增大,铝粉稀释,差异逐渐缩小;通过选用合适组分比例和质量的Al/PTFE活性材料,有益于弥补近场材料破碎和抛撒造成的冲击波能量损失,同时后燃反应为中远场提供能量补充,有望实现爆炸释能整体增益。