仝 遠(yuǎn)，王在成，蔡尚曄，胡萬翔，李姝妍

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100081)

聚四氟乙烯(PTFE)基含能材料是一類新型的高能復(fù)合材料，其特點是在常規(guī)條件下保持惰性，但在強沖擊載荷作用下會產(chǎn)生燃燒和類爆轟效應(yīng)[1]。由含能材料制成的含能破片不僅具備惰性破片的動能侵徹能力，同時還能通過自身的化學(xué)反應(yīng)在靶后釋放能量形成后效毀傷，實現(xiàn)對目標(biāo)的高效打擊。

影響含能材料力學(xué)性質(zhì)和釋能特性的因素包括金屬添加劑種類、基體種類、組分配比和加工工藝等[2]，其中金屬添加劑種類是決定含能材料性質(zhì)的關(guān)鍵條件。Daniel等人研究發(fā)現(xiàn)含能材料配方中金屬添加劑可以選擇Al、Ti、B、Mg等材料[3]。肖艷文、徐峰悅、黎勤等人對Al/PTFE配方的含能破片終點毀傷效應(yīng)進行研究[4-6]。由于Ti具有密度、反應(yīng)熱值及熱導(dǎo)率均較高的特點，且Ti與PTFE反應(yīng)生成的產(chǎn)物沸點較低，多以氣體形式存在，更利于反應(yīng)對外膨脹做功，因此Ti/PTFE含能破片具有很好的應(yīng)用前景，而目前對該配方含能破片的終點毀傷效應(yīng)研究較少。

本文通過實驗研究Ti/W/PTFE含能破片對雙層金屬靶的毀傷效應(yīng)，分析了沖擊速度和迎彈靶材料對含能破片靶后毀傷效應(yīng)的影響，對比了含能破片和鋼破片的穿靶能力和后效毀傷效果，并對靶后釋能量進行了計算。研究結(jié)果對含能破片毀傷效應(yīng)評估具有指導(dǎo)意義。

1 實驗方案

1.1 材料制備

實驗制備質(zhì)量比為6.5/80/13.5、密度為7.8 g/cm3的Ti/W/PTFE含能破片。W粉的添加是為了提高破片的密度、機械強度及侵徹能力，其在含能破片中起到剛性支撐點的作用[7]。制備過程為：將各類原材料按照質(zhì)量比均勻混合，然后將粉末倒入塑料容器中，加入適量的無水乙醇并放入混料機中進行濕混，再放入真空干燥箱中烘干。干燥后將材料進行冷壓成型，在氬氣環(huán)境中進行燒結(jié)，最后通過機械加工獲得尺寸為Φ9×9mm，質(zhì)量為4.46 g的含能破片。制成的含能破片和子彈試件如圖1所示。

圖1 含能破片及子彈試件

1.2 實驗方法

1.2.1彈道碰撞實驗

彈道碰撞實驗裝置如圖2。尺寸為Φ9×9 mm的含能破片和鋼破片由12.7 mm的彈道槍發(fā)射，槍口距離迎彈靶 5 m，通過調(diào)節(jié)發(fā)射藥量來改變破片初速。破片撞擊靶板的速度通過靶網(wǎng)測得。雙層靶分為6 mm鋁/3 mm鋁和6 mm鋼/3 mm鋁兩種，間隔40 cm。利用高速攝像機記錄不同速度含能破片侵徹雙層靶過程中火光的變化情況。

圖2 彈道碰撞實驗裝置示意圖

1.2.2密閉容器實驗

密閉容器實驗裝置如圖3所示。含能破片由彈道槍發(fā)射，以一定速度撞擊密閉容器。密閉容器的前靶板分別使用6 mm鋁靶和6 mm鋼靶，容器尺寸為Φ200×600 mm，側(cè)壁設(shè)置有一個直徑為160 mm的觀察孔。利用放置在罐壁處的應(yīng)變式壓力傳感器測得容器內(nèi)部壓力變化，并利用高速攝像機觀察破片在容器內(nèi)反應(yīng)的火光狀態(tài)。

圖3 密閉容器實驗裝置示意圖

2 實驗結(jié)果分析

表1為含能破片以不同速度侵徹6 mm鋁/3 mm鋁金屬靶后得到的數(shù)據(jù)。其中后效靶毀傷面積指的是覆蓋靶板上所有穿孔區(qū)域得到的總面積。從表1可以看出，含能破片均能貫穿迎彈板，且穿孔直徑略大于破片尺寸。而后效靶的穿孔直徑受破片速度影響較大：當(dāng)速度為645 m/s時，含能破片未能貫穿后效靶；當(dāng)速度為951 m/s時，能夠貫穿后效靶，但穿孔直徑小于破片直徑；當(dāng)速度為1 249 m/s時，后效靶上最大穿孔的直徑大約為破片直徑的3倍。

表1 破片對6 mm鋁/3 mm鋁雙層靶的穿孔尺寸

圖4所示為不同速度含能破片侵徹迎彈靶圖片，圖5為含能破片侵徹后效靶圖片。對比前后靶板的穿孔結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)含能破片主要通過動能侵徹作用對迎彈靶造成沖塞破壞；而靶后剩余破片的動能侵徹和爆燃反應(yīng)聯(lián)合作用，可以對后效靶造成更強烈的毀傷，表現(xiàn)為隆起及裂紋等結(jié)構(gòu)性破壞。與鋼破片相比，含能破片穿過迎彈靶后，孔內(nèi)有明顯的反應(yīng)痕跡，出現(xiàn)熏黑現(xiàn)象；在撞擊后效靶時，正面有明顯的燒蝕現(xiàn)象，且3#中被穿透的后效靶產(chǎn)生了花瓣型破壞，破孔直徑也大幅提高。在3#實驗結(jié)果中，后效靶出現(xiàn)了明顯的裂紋現(xiàn)象，這是因為后效靶在被貫穿時，靶板中心在爆燃壓力載荷的作用下發(fā)生隆起變形，使得貫穿孔周邊的微裂紋發(fā)生拓展，造成后效靶的結(jié)構(gòu)性破壞。實驗現(xiàn)象表明相較于鋼破片，含能破片在侵徹金屬靶時產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)使其具有更強的后效毀傷能力。

圖4 迎彈靶穿孔照片

圖5 后效靶穿孔照片

含能破片撞擊6 mm鋁/3 mm鋁靶的侵徹和反應(yīng)過程如圖6所示。在0.2 ms時刻，破片撞擊迎彈靶時，部分破片沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，發(fā)出較強火光；在1～5 ms時間段內(nèi)，破片貫穿迎彈靶，且火光亮度增強，范圍擴大?；鹧娴男螤钣蓜傞_始的錐形逐漸向軸向和徑向擴展。由于Ti與PTFE反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，推動熔融態(tài)物質(zhì)向外發(fā)散，可以在圖中看到明顯的火星噴濺的現(xiàn)象，且持續(xù)時間大于15 ms；隨后火光逐漸變?nèi)?，可以看到靶板周圍產(chǎn)生很多白煙，整個反應(yīng)過程結(jié)束。

在1#實驗圖片中，可以看出迎彈靶上的火焰主要擴大在平行于靶板平面的方向，具有亮度低，覆蓋范圍小，持續(xù)時間短的特點；隨著破片速度的提高，沖擊壓力上升，稀疏波效應(yīng)減弱，同時破片的反應(yīng)度增加，導(dǎo)致火焰持續(xù)時間的和亮度范圍的增加，同時能夠觀察到火光更多的匯集在垂直于靶板方向。

圖6 侵徹6 mm鋁/3 mm鋁靶高攝圖片

表2為含能破片以不同速度侵徹6 mm鋼/3 mm鋁金屬靶后的數(shù)據(jù)。對比含能破片與鋼破片的實驗結(jié)果，含能破片侵徹鋼靶的穿孔直徑有所增加。因為含能破片在侵徹鋼靶板的過程中，由于其強度較低，導(dǎo)致破片在侵徹過程中塑性變形和墩粗效果更明顯，使得擴孔直徑增大；此外，含能破片在穿靶過程中會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，使鋼靶產(chǎn)生徑向膨脹擴孔。但是，含能破片均沒能穿透后效靶。雖然加入W粉可以提高破片的力學(xué)性能[8]，但由于PTFE基體與金屬的力學(xué)強度差距較大，含能破片在穿透迎彈靶后，會發(fā)生較大程度的碎裂，只有少部分可以接觸到第二層靶板，減弱了它對后效靶的侵徹能力及靶后毀傷效果。

表2 破片對6 mm鋼/3 mm鋁雙層靶的穿孔尺寸

圖7為含能破片侵徹迎彈靶圖片，圖8為含能破片侵徹后效靶的實驗圖片。從圖7、圖8可以看得出，在迎彈靶和后效靶上均出現(xiàn)了熏黑現(xiàn)象，穿孔模式為沖塞型穿孔。隨著侵徹速度的提高，后效靶的熏黑程度也隨之增加。觀察到熏黑范圍明顯變大，說明破片在貫穿鋼靶板后發(fā)生了較大程度的破碎，形成碎片云，同時在后效靶上留下很多凹坑。

含能破片侵徹6 mm鋼/3 mm鋁靶的照片如圖9。對比6 mm鋁靶的侵徹實驗(圖6)，含能破片對6 mm鋼靶的侵徹和靶后反應(yīng)過程相類似。但是在穿透鋼靶之后，含能破片的靶后反應(yīng)程度，即火光亮度、范圍和持續(xù)時間，均不如對鋁靶的后效反應(yīng)程度強烈。觀察7#高攝圖片可以發(fā)現(xiàn)，在10 ms時刻，含能破片又出現(xiàn)明顯的后效反應(yīng)現(xiàn)象：在撞擊迎彈靶時，含能破片受到第一次沖擊加載，部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，之后反應(yīng)逐漸減弱。接著撞擊后效靶時，首先發(fā)生剩余破片的碰撞碎裂，由于沒能穿透后效靶，碎片向靶板反向發(fā)散，產(chǎn)生半橢圓輪廓火星。緊接著后效靶表面開始出現(xiàn)明亮火光，并逐漸向外擴散，剩余碎片開始發(fā)生反應(yīng)并伴隨產(chǎn)生少量白色煙霧，并且火光范圍和亮度明顯強于0.2 ms時刻。說明含能破片撞擊后效靶時，受到第二次沖擊加載，能夠發(fā)生更充分的反應(yīng)。如果增強含能破片侵徹能力，使更多質(zhì)量的剩余破片以較大的剩余速度撞擊后效靶，可以獲得更好的后效毀傷效果。

圖7 迎彈靶穿孔照片

圖8 后效靶穿孔照片

圖9 侵徹6 mm鋼/3 mm鋁靶高攝圖片

含能破片以不同速度撞擊以6 mm鋁靶和6 mm鋼靶作為前靶板的密閉容器，實驗結(jié)果如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)得出，含能破片在貫穿前靶板時引發(fā)化學(xué)反應(yīng)釋放大量熱量，在密閉容器內(nèi)部產(chǎn)生超壓。當(dāng)迎彈靶為同一種材料時，壓力峰值隨含能破片速度的提高而上升。說明隨著撞擊速度提高，含能破片反應(yīng)程度更劇烈，后效毀傷能力更強。也驗證了彈道碰撞實驗中對后效靶的毀傷情況和高攝拍攝的火光現(xiàn)象。對比鋁靶和鋼靶兩類前靶板，含能破片在鋁靶后形成的超壓是鋼靶后的5倍以上。

表3 實驗方案及測試結(jié)果

含能破片撞擊密閉容器的高攝圖片如圖10和圖11所示。含能破片貫穿前靶板后，在密閉容器內(nèi)部產(chǎn)生了持續(xù)明亮的火光。對比含能破片撞擊鋁靶和鋼靶的火光情況，發(fā)現(xiàn)含能破片貫穿鋁靶后，產(chǎn)生的火光亮度更高，持續(xù)時間更長，這也與撞擊雙層金屬靶的實驗結(jié)果吻合。由于含能破片強度較低，在侵徹鋼靶板時發(fā)生較大程度的破碎，只有少量破片碎片進入容器中；此外，在貫穿鋼靶板時破片的動能損耗更大，當(dāng)剩余破片以較小的速度撞擊到容器內(nèi)部金屬板時，沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的幾率也更小。這些原因?qū)е铝撕芷破矒? mm鋼靶時的后效反應(yīng)情況并不理想。

圖10 含能破片碰撞6 mm鋁靶圖片

圖11 含能破片碰撞6 mm鋼靶圖片

密閉容器側(cè)壁上的傳感器記錄的破片撞擊的超壓-時間曲線如圖12所示。由圖12可知，密閉容器內(nèi)部壓力在5～20 ms時間段上升至最大值?？紤]到傳感器測得的是由罐內(nèi)空氣受熱膨脹后產(chǎn)生的壓力，因此含能破片的化學(xué)反應(yīng)是在更短的時間內(nèi)完成。在侵徹雙層金屬靶的實驗中，看到火光在1～5 ms的時間段較為強烈，由此推斷在毫秒甚至微秒的時間量級內(nèi)，含能材料即可完成沖擊引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。

圖12 破片撞擊密閉容器的超壓-時間曲線

根據(jù)1#實驗結(jié)果，當(dāng)著靶速度較低時，含能破片發(fā)生微弱反應(yīng)。這表明在1#實驗的速度條件下，處于激發(fā)Ti/W/PTFE含能破片發(fā)生反應(yīng)的閾值附近。含能材料在沖擊條件下發(fā)生反應(yīng)是依靠沖擊波作用下形成的高溫高壓環(huán)境，而誘發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能量來自于撞擊時的沖擊能量，因此沖擊能量的大小是判斷含能材料能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的依據(jù)。根據(jù)一維脈沖理論，沖擊波傳入含能破片中的能量E[9]為：

E=Pupτ

式中：P為撞擊壓力，up為破片中粒子的速度，τ為沖擊波加載時間。根據(jù)一維碰撞的連續(xù)性條件和動量守恒關(guān)系，有：

式中：v1和v2分別是破片和靶板的碰撞速度，(ρ0c0)1和(ρ0c0)2分別是破片和靶板材料的聲阻抗，s1經(jīng)驗參數(shù)，l是破片厚度。根據(jù)上述關(guān)系式，得到不同速度破片在撞擊迎彈靶時刻的撞擊壓力和沖擊能量值如表4所示。

表4 破片沖擊條件計算值

計算結(jié)果表明破片撞擊鋼靶板時撞擊壓力和能量輸入均大于撞擊鋁靶板時的情況。觀察高攝拍到的實驗圖片發(fā)現(xiàn)，在起始時刻，當(dāng)破片接觸到迎彈靶時，部分破片受沖擊發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，撞擊鋼靶板的火光亮度和范圍均大于鋁靶板，與上文的計算結(jié)果相吻合。而在1 ms時刻，鋁靶板的火光反而超過鋼靶板。分析認(rèn)為，一方面是因為在侵徹鋼靶板時，能量損失更大，含能破片產(chǎn)生的一部分化學(xué)能被消耗；另一方面，鋁板在破片高速侵徹條件下，產(chǎn)生局部高溫并與環(huán)境中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，增強了火光亮度。

觀察侵徹雙層鋁靶的高攝圖片，發(fā)現(xiàn)火光的范圍和亮度均在撞擊第二層鋁靶時更為強烈。參照前文所述激發(fā)反應(yīng)的判據(jù)，在撞擊后效靶時，由于破片速度的下降，撞擊壓力和沖擊能量都會減少。但反應(yīng)反而更劇烈，說明二次加載能明顯提升含能材料的反應(yīng)程度。在穿透迎彈靶后，含能破片發(fā)生了一部分的質(zhì)量損失，但是貫穿迎彈靶后的破片產(chǎn)生了破碎現(xiàn)象和沖擊能量的積累，在撞擊后效靶時可以更充分的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。7#的實驗現(xiàn)象也證實了上述分析。

對比1#、2#和3#實驗現(xiàn)象可以看出，提高破片的撞擊速度，火光現(xiàn)象更強，靶板的擴孔直徑增大，熏黑現(xiàn)象也更明顯。破片速度改變了沖擊條件，使含能破片反應(yīng)程度加強，從而增強毀傷效果。目前研究認(rèn)為含能材料的反應(yīng)引發(fā)條件是機械剪切作用或者是沖擊溫升[10]。實驗現(xiàn)象表明，如果提高加載壓力或加載應(yīng)變率，可以使含能材料的反應(yīng)更迅速，更完全。

含能破片撞擊密閉容器時，在靶后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放大量化學(xué)能，使容器內(nèi)氣體迅速升溫膨脹，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力增大。由于破片貫穿靶板形成泄壓孔，容器內(nèi)高溫高壓氣體從小孔排出，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力迅速降低，經(jīng)過200～300 ms降至環(huán)境壓力。由此可以定量得到含能破片在靶后形成的超壓值，對含能破片的后效毀傷能力進行評估。

根據(jù)測得的壓力數(shù)據(jù)，由能量守恒關(guān)系和理想氣體狀態(tài)方程可以求得含能破片的釋能值[11]。假設(shè)容器內(nèi)氣體為理想氣體，忽略能量損耗，則有：

ΔQ=ΔE

式中：ΔQ為容器內(nèi)氣體熱增量，ΔE為含能破片反應(yīng)產(chǎn)生的能量。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

ΔP=Rρ(T2-T1)

R=Cv(γ-1)

式中：ΔP為容器內(nèi)超壓值，γ是容器內(nèi)氣體的比熱比。

當(dāng)容器內(nèi)質(zhì)量和體積恒定時，氣體的能量增量為：

由上述關(guān)系得到含能破片在密閉容器內(nèi)的釋能量與超壓之間的關(guān)系為：

式中，V是密閉容器空腔體積。

由上述方法計算得到Ti/W/PTFE含能破片在兩種靶板的靶后釋放能量值如表5所示。

表5 破片釋放能量值計算結(jié)果

侵徹過程中，含能破片的化學(xué)能釋放能夠顯著的增強對后效靶的結(jié)構(gòu)性破壞。本文由實驗得到了含能破片對后效靶的毀傷數(shù)據(jù)和靶后釋能數(shù)據(jù)，且兩者的變化趨勢吻合。但靶后能量和毀傷模式之間的數(shù)學(xué)關(guān)系仍需進一步工作研究。

3 結(jié)論

1) Ti/W/PTFE含能破片能夠穿透6 mm鋁靶和6 mm鋼靶。在貫穿迎彈靶后，發(fā)生劇烈反應(yīng)并產(chǎn)生持續(xù)、明亮的火光。不同于鋼破片對后效靶的沖塞破壞，含能破片對后效靶的毀傷模式包括動能侵徹和化學(xué)反應(yīng)的聯(lián)合作用，同時在靶后產(chǎn)生超壓現(xiàn)象，增強毀傷效果。

2) 增加含能破片速度可以提高對后效靶的毀傷效果。在靶板條件相同的情況下，更高的侵徹速度可以使含能破片由沖擊引發(fā)的反應(yīng)更加充分，產(chǎn)生更強的靶后毀傷效果。

3) 在撞擊后效靶時，由于破片在貫穿迎彈靶后發(fā)生結(jié)構(gòu)碎裂，同時在穿靶時有沖擊能量累積，當(dāng)破片碎片撞擊到后效靶受到二次加載時，反應(yīng)會更加充分，強化對后效靶的毀傷效果。