杜 寧，張先鋒，熊 瑋，楊 瑩，黃炳瑜，陳海華

（1. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210014）

活性材料通常是由兩種或兩種以上非炸藥材料混合而成，例如聚合物/金屬或金屬/金屬的混合物，在未來(lái)高效毀傷和防護(hù)技術(shù)上有非常廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。制備的活性材料強(qiáng)度已經(jīng)可以達(dá)到數(shù)百兆帕，高強(qiáng)度意味著該類材料可作結(jié)構(gòu)材料使用，使一些彈藥“惰性”部件或結(jié)構(gòu)件能量化[4-6]。目前關(guān)于活性材料的應(yīng)用研究主要集中在活性破片、活性藥型罩等活性毀傷元中，主要用于提高對(duì)目標(biāo)的毀傷能力。

在表征活性材料沖擊反應(yīng)釋能特性方面已開展了大量的試驗(yàn)研究工作[7-8]，但現(xiàn)有的研究工作對(duì)活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)下的能量釋放特性關(guān)注不夠。在活性材料增強(qiáng)爆炸驅(qū)動(dòng)毀傷效應(yīng)研究方面，Clemenson[9]對(duì)爆炸驅(qū)動(dòng)下活性材料能量釋放規(guī)律進(jìn)行了研究，采用高速攝影、光譜法確定典型活性材料的爆炸驅(qū)動(dòng)能量釋放特性，并通過(guò)改變活性材料的成分和殼體形狀，獲得殼體碎片的分布規(guī)律。Fabignon 等[10]、Orth 等[11]從活性材料能量釋放角度，向高爆炸藥和推進(jìn)劑中添加活性金屬，提高材料的能量密度和能量輸出能力。Guadarrama 等[12]對(duì)常用作煙火劑的粉末材料及其炸藥耦合作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)爆炸驅(qū)動(dòng)下粉末拋射并釋放能量有利于提高空氣沖擊波峰值超壓。Frost 等[13]、Ames 等[14]從終點(diǎn)效應(yīng)角度分析活性材料撞擊金屬板時(shí)形成碎片不僅可以產(chǎn)生動(dòng)能損傷，還可以將這種動(dòng)能與碎片沖擊耦合時(shí)快速化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次能量釋放，增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的毀傷作用。目前，活性材料作為戰(zhàn)斗部殼體部件在爆炸驅(qū)動(dòng)下能量釋放特性，包括溫度場(chǎng)分布、沖擊波的強(qiáng)化效果等尚不明確。

本文中，利用爆炸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，研究典型Al/PTFE、Al/Ni 活性材料及Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料殼體在爆炸驅(qū)動(dòng)下的能量釋放特性，分析不同材料殼體裝藥火球成形和演變情況、溫度場(chǎng)分布及空氣沖擊波峰值超壓等特性。同時(shí)，結(jié)合炸藥爆炸空氣沖擊波峰值超壓經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算爆炸驅(qū)動(dòng)下活性材料的釋能效率，分析該類材料反應(yīng)釋能對(duì)空氣沖擊波的影響規(guī)律，以期為PTFE、Al/Ni 活性材料的化應(yīng)用提供參考。

1 活性材料制備及力學(xué)性能測(cè)試

參考相關(guān)學(xué)者對(duì)典型活性材料的制備工藝[15-16]，制備Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料時(shí)分別采用了壓制燒結(jié)工藝和壓制工藝。燒結(jié)工藝是Al/PTFE 材料最終獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要手段，對(duì)于Al/Ni 材料采用壓制可獲得較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該種方法具有制備成本低、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。粉末壓制成型工藝主要包括混合、干燥、模具壓制和燒結(jié)等過(guò)程[17]，其制備流程見圖1。其中Al 粉、Ni 粉和W 粉平均粒徑均約為75 μm，PTFE 為絮狀材料。Al/PTFE 材料燒結(jié)時(shí)采用的溫度和時(shí)間如圖2 所示。通過(guò)粉末壓制工藝制備的Al/PTFE、Al/Ni 圓柱體如圖3 所示。

圖 1 活性材料制備工藝流程Fig. 1 Preparation route of energetic structural materials

采取壓制工藝制備了Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料殼體，用于開展對(duì)比研究。在惰性材料Al2O3/PTFE/W 中，成分W 非常穩(wěn)定，基本不參與反應(yīng)，主要起增大密度的作用[18]。通過(guò)調(diào)整各組分的質(zhì)量百分比，保證惰性材料的質(zhì)量、密度、密實(shí)度等參數(shù)與活性材料基本一致。通過(guò)粉末壓制成型工藝制備的殼體材料參數(shù)如表1 所示。其中，Qm為每克活性材料釋放的化學(xué)能；σ 為材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度，由準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)確定，試驗(yàn)應(yīng)變率為0.001 s?1；ρ 為不同材料殼體的密度，m 為不同材料殼體的質(zhì)量。

圖 2 Al/PTFE 活性材料燒結(jié)工藝曲線Fig. 2 Sinter curve of Al/PTFE energetic structural materials

圖 3 粉末壓制工藝制備Al/PTFE、Al/Ni 材料Fig. 3 Al/PTFE and Al/Ni materials by powder compaction

表 1 材料性能參數(shù)Table 1 The parameters of materials

2 活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)能量釋放特性試驗(yàn)

2.1 活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)裝置

活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，主要由傳爆藥柱、炸藥裝藥、尼龍襯套、殼體、下蓋板等組成，其中殼體材料分別為表1中的4 種材料。試驗(yàn)裝置照片如圖5 所示，其中，炸藥裝藥為 ? 30 mm×37 mm 的8701 藥柱，密度為1.7 g/cm3，裝藥質(zhì)量為44 g；活性材料外徑為50 mm，內(nèi)徑為34 mm；尼龍襯套壁厚1.7 mm。雷管座主要用于固定雷管及傳爆藥柱，并與藥柱下蓋板一起約束爆轟產(chǎn)物，控制爆轟產(chǎn)物的飛散方向。

圖 4 約束裝藥示意圖Fig. 4 Schematic diagram of confined charge

圖 5 活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)裝置Fig. 5 Explosive loading device of energetic structural materials shells

2.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

試驗(yàn)布局如圖6 所示，將該裝藥結(jié)構(gòu)置于PVC 塑料管支架上，距離地面1.5 m。運(yùn)用YD-202 壓電式壓力傳感器測(cè)量爆炸驅(qū)動(dòng)下自由場(chǎng)空氣沖擊波峰值超壓。采用高速攝影、遠(yuǎn)紅外熱像儀測(cè)試火球爆炸參數(shù)、溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)?；钚圆牧媳?qū)動(dòng)裝置與壓力傳感器、高速攝影、遠(yuǎn)紅外熱像儀的水平距離分別為1.8、22、22 m。其中，爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程由高速攝影以5 000 s-1的速度進(jìn)行拍攝，捕捉不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中火光結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)演變過(guò)程。試驗(yàn)使用美國(guó)Flir 公司生產(chǎn)的SC7000 遠(yuǎn)紅外熱像儀，該儀器具有測(cè)試精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控記錄樣品爆炸及輻射性能的動(dòng)態(tài)變化。儀器波長(zhǎng)范圍為7.7～9.2 μm，測(cè)試頻率為200 Hz，鏡頭焦距為25 mm，發(fā)射率為1。此外，為了研究活性材料的撞擊反應(yīng)行為，在距離裝藥水平距離2 m 處設(shè)置了一塊尺寸為600 mm×600 mm×10 mm 的鋼板。為了得到科學(xué)、合理的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)每種材料試驗(yàn)重復(fù)2 次，并且對(duì)典型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖 6 試驗(yàn)布局Fig. 6 Experimental layout

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

炸藥爆炸后產(chǎn)生的毀傷方式主要有沖擊波毀傷和熱毀傷等。其中，熱毀傷主要通過(guò)爆炸火球參數(shù)進(jìn)行表征，爆炸火球參數(shù)主要包括火球直徑、持續(xù)時(shí)間、火球溫度。此外，空氣沖擊波峰值超壓能夠反映空氣中爆炸的特征[19]?；诖耍瑢?duì)4 種不同殼體材料進(jìn)行爆炸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，以便全面分析活性材料在爆炸驅(qū)動(dòng)下的能量釋放特性。

2.3.1 爆炸作用過(guò)程高速攝影觀測(cè)結(jié)果

通過(guò)高速攝影記錄的不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下火球成形和演變情況見圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明，炸藥爆炸后產(chǎn)生了明顯火光。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，火光先增強(qiáng)再逐漸減弱。將初始出現(xiàn)火光的時(shí)間設(shè)定為零，可以發(fā)現(xiàn)爆炸驅(qū)動(dòng)后，Al/PTFE 火光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（15.4 ms），并在最后產(chǎn)生大量的黑煙；而Al2O3/PTFE 惰性材料，由爆炸產(chǎn)生的火光在1.4 ms 后迅速減弱甚至消失。Al/PTFE 火光持續(xù)時(shí)間約是Al2O3/PTFE 的11 倍（15.4/1.4）。另一方面，Al/Ni 在爆炸驅(qū)動(dòng)下，55.6 ms 后火光消失，可見少量黑煙；而Al2O3/PTFE/W 惰性材料，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)火光迅速消失，惰性材料向四周飛散，伴有白色霧狀煙。Al/Ni 火光持續(xù)時(shí)間約是Al2O3/PTFE/W 的39.7 倍（55.6/1.4）。此外，通過(guò)高速攝影照片可以測(cè)量不同時(shí)刻火球直徑。在0.2 ms時(shí)，Al/PTFE 和Al2O3/PTFE 火球直徑分別為1 035.9、616.6 mm，前者比后者相對(duì)增大68%；Al/Ni 和Al2O3/PTFE/W 火球直徑分別為428.8、394.1 mm，火球直徑相差不大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，活性材料均比惰性材料火光更強(qiáng)，這是因?yàn)榛钚圆牧显诒?qū)動(dòng)的強(qiáng)加載條件下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，釋放一部分能量，增強(qiáng)炸藥爆炸產(chǎn)生的火光。另一方面，材料破碎后，爆轟產(chǎn)物沖出并將其包圍起來(lái)，破碎的材料仍受到爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)，此時(shí)活性材料持續(xù)反應(yīng)并釋放能量，延長(zhǎng)火光持續(xù)時(shí)間，增強(qiáng)火光亮度和增大火球直徑。

2.3.2 爆炸作用過(guò)程溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)

試驗(yàn)中利用遠(yuǎn)紅外熱像儀測(cè)試不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下溫度場(chǎng)分布及輻射性能。圖8 為不同材料裝藥爆炸過(guò)程中典型時(shí)刻的紅外熱像圖。由圖8 可知，炸藥爆炸殼體材料及產(chǎn)物飛散區(qū)有明顯的溫度升高，且溫度區(qū)域?qū)哟吻逦嵯駡D由內(nèi)到外分為高溫區(qū)、過(guò)渡區(qū)、低溫區(qū)3 個(gè)區(qū)域，其中，紅色為高溫區(qū)，該區(qū)域主要集中在爆炸中心；最外層粉色為低溫區(qū)，兩者之間為過(guò)渡區(qū)。可以觀察到，從20 ms 到30 ms的時(shí)間段中，不同材料的輻射面積和高溫區(qū)域均減小。其中，惰性材料溫度區(qū)域的連續(xù)性和亮度均明顯降低。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，不同材料最外層的粉紅色低溫區(qū)域先消失，中心高溫區(qū)域向四周擴(kuò)散，重新呈現(xiàn)層次分明的溫度區(qū)域，最終溫度區(qū)域?qū)p小直至消失。

圖 7 不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下火球成形和演變情況Fig. 7 Morphology and evolution of the fireballs for the four charges with different materials

圖 8 不同材料特定時(shí)刻熱像圖Fig. 8 Thermal images of different materials at different times

圖9 為不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下的熱像圖隨時(shí)間的變化。由圖9 可知：5～20 ms 時(shí)，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 均形成穩(wěn)定傳播的熱像圖；20 ms 后，Al/PTFE 熱像圖溫度區(qū)域緩慢減小，而Al2O3/PTFE 惰性材料的熱像圖溫度區(qū)域迅速減小，直至消失。這是因?yàn)锳l/PTFE 參與化學(xué)反應(yīng)，并釋放能量，增大炸藥爆炸產(chǎn)生的輻射面積、高溫區(qū)域，延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。

圖 9 不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下的熱像圖隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig. 9 Thermal images of different materials at different times under explosive loading

通過(guò)熱像圖測(cè)量了輻射面積，用于分析爆炸作用過(guò)程溫度場(chǎng)分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。爆炸驅(qū)動(dòng)下不同材料輻射面積及高溫區(qū)輻射面積隨時(shí)間變化曲線分別見圖10～11。

圖 10 輻射面積隨時(shí)間變化曲線Fig. 10 Radiation area varying with time

圖 11 高溫區(qū)輻射面積隨時(shí)間變化曲線Fig. 11 Radiation area of high temperature region varying with time

由圖10 可知，4 種材料輻射面積隨時(shí)間變化總體趨勢(shì)一致，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，輻射面積減小。其中，惰性材料比活性材料輻射面積減小速度更快，惰性材料（Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W）輻射面積相差不大，二者吻合較好。5～20 ms 時(shí)，4 種材料輻射面積差距較小。超過(guò)20 ms 后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，活性材料與惰性材料間的輻射面積差距逐漸增大。對(duì)于Al/PTFE 材料，其輻射面積在5～40 ms 內(nèi)接近水平狀態(tài)，沒(méi)有明顯的變化，40 ms 后輻射面積逐漸減??；55 ms 時(shí)Al/PTFE 輻射面積是Al2O3/PTFE 的5.3 倍，Al/Ni 輻射面積是Al2O3/PTFE/W 的8.6 倍。Al/Ni 材料在45 ms 前輻射面積緩慢減小，45～70 ms 時(shí)趨于水平，沒(méi)有明顯的變化。惰性材料的輻射面積始終處于減小狀態(tài)。這是因?yàn)榛钚圆牧显诒?qū)動(dòng)下，一部分材料持續(xù)反應(yīng)并釋放能量，形成穩(wěn)定傳播的輻射區(qū)域。結(jié)合圖8 可知，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，活性材料在爆炸驅(qū)動(dòng)下的輻射面積呈現(xiàn)更強(qiáng)的連續(xù)性，亮度更高，結(jié)構(gòu)更飽滿。對(duì)比圖11 中4 種材料的高溫區(qū)面積可以發(fā)現(xiàn)，活性材料（Al/PTFE 和Al/Ni）的高溫區(qū)面積顯著大于相應(yīng)的惰性材料（Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W）的高溫區(qū)面積。這是因?yàn)檎ㄋ幈ㄋ查g，在爆轟壓力的作用下，活性材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的能量對(duì)溫度的升高產(chǎn)生了較大的貢獻(xiàn)。

2.3.3 爆炸沖擊波測(cè)試結(jié)果

由壓力傳感器測(cè)得的1.8 m 處活性材料與相應(yīng)惰性材料壓力-時(shí)間曲線見圖12。由于Al/Ni 材料產(chǎn)生的碎片飛散到傳感器上時(shí)使其損壞，因此未測(cè)到爆炸驅(qū)動(dòng)下該材料空氣沖擊波峰值超壓。

從圖12 可知，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同。但是，Al/PTFE 材料空氣沖擊波峰值超壓（43.3 kPa）高于Al2O3/PTFE 峰值超壓（30.2 kPa）。Al/PTFE 材料空氣沖擊波正壓作用時(shí)間（1.3 ms）、比沖量（9.7 N·s/m2）分別高于Al2O3/PTFE 正壓作用時(shí)間（1.1 ms）、比沖量（4.8 N·s/m2）。這是因?yàn)榛钚圆牧显诒?qū)動(dòng)下破裂并反應(yīng)，破碎的材料持續(xù)反應(yīng)并釋放能量，對(duì)形成的爆炸波產(chǎn)生了強(qiáng)化作用。通過(guò)波的到達(dá)時(shí)間及峰值壓力可以量化活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)下瞬間能量釋放[20]。另外，Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W兩種惰性材料空氣沖擊波峰值超壓相差不多。

圖 12 不同材料超壓隨時(shí)間的變化曲線Fig. 12 Overpressure-time curves of different materials

2.3.4 活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)空氣沖擊波強(qiáng)化效應(yīng)

（1）活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)反應(yīng)行為

不同材料碎片撞擊鋼板的試驗(yàn)結(jié)果見圖13。從圖13（a）和（c）可知：Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料在0.2 ms 時(shí)由于爆炸驅(qū)動(dòng)作用已向四周飛散，爆炸中心處有明顯火光，飛散的材料在到達(dá)鋼板前未出現(xiàn)明顯火光；1.6 ms 和18.4 ms 時(shí)，兩種活性材料碎片已分別撞擊右側(cè)鋼板，在爆炸中心及右側(cè)鋼板處均可觀察到明顯的火光，而在左側(cè)相同位置處（無(wú)鋼板）并未出現(xiàn)火光。圖13（b）和（d）分別為惰性材料Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W 碎片在達(dá)到鋼板前、后的試驗(yàn)現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，兩種惰性材料撞擊鋼板后未產(chǎn)生火光，且爆炸中心處的火光相對(duì)活性材料較弱。該現(xiàn)象說(shuō)明，Al/PTFE 和Al/Ni 材料在爆炸驅(qū)動(dòng)下未發(fā)生完全化學(xué)反應(yīng)。炸藥爆炸瞬間，在爆轟壓力的作用下，僅有一部分活性材料參與反應(yīng)并釋放能量，在爆炸中心處可見火光明顯增強(qiáng)。另一方面，未反應(yīng)的碎片向四周飛散，在飛散過(guò)程中撞擊鋼板并有部分活性材料發(fā)生后續(xù)反應(yīng)。

圖 13 不同材料碎片撞擊鋼板的試驗(yàn)結(jié)果Fig. 13 Experimental results of fragments with ·different materials impacting steel targets

此外，對(duì)比圖13（a）和（c）可知，炸藥爆炸瞬間，Al/PTFE 材料產(chǎn)生的火光比Al/Ni 更強(qiáng)；而爆炸驅(qū)動(dòng)下的Al/Ni 材料和Al/PTFE 材料撞擊右側(cè)鋼板后，則出現(xiàn)相反的結(jié)果。該現(xiàn)象說(shuō)明，在爆炸驅(qū)動(dòng)作用下，Al/Ni 材料的反應(yīng)延遲時(shí)間相對(duì)于Al/PTFE 材料更長(zhǎng)，爆炸瞬間釋放能量更少，在爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)過(guò)程中和撞擊鋼板后才逐漸釋放能量，產(chǎn)生更強(qiáng)的火光。

（2）沖擊波強(qiáng)化效應(yīng)的分析計(jì)算

沖擊波峰值壓力是表征爆炸空氣沖擊波的主要參數(shù)之一。定義p 為空氣沖擊波陣面壓力，p0為未經(jīng)擾動(dòng)時(shí)的空氣壓力，那么Δp=p?p0稱為峰值超壓。通常采用空氣沖擊波峰值超壓經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[21]對(duì)爆炸沖擊波壓力隨距離變化的規(guī)律進(jìn)行描述：

對(duì)于活性材料引入帶有能量釋放的ω 方程形式：

式中：y 為反應(yīng)度，M 為炸藥質(zhì)量，m 為活性材料質(zhì)量，Qm為每克活性材料釋放的化學(xué)能。

對(duì)于帶殼裝藥爆炸[21]，Mi代替M：

式中：α=M/(m+M)，r0為初始?xì)んw半徑； γ 為空氣的比熱比，取1.4；rp0為殼體膨脹破裂半徑，對(duì)于韌性材料，鋼殼可近似取1.5r0，銅殼取2.24r0，脆性材料或預(yù)制破片此值應(yīng)小些[21]。由文獻(xiàn)[22]可知，材料的膨脹半徑主要與屈服強(qiáng)度有關(guān)。綜合分析，活性材料與惰性對(duì)比材料的膨脹半徑近似取1.2 r0。

為了驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)公式的有效性，研究中對(duì)44 g 裸藥柱、Al2O3/PTFE 分別進(jìn)行了爆炸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得44 g 裸藥柱爆炸后，在2.2 m 處的空氣沖擊波峰值超壓為27.1 kPa，相應(yīng)理論計(jì)算結(jié)果為25.3 kPa。試驗(yàn)測(cè)得Al2O3/PTFE 爆炸驅(qū)動(dòng)下1.8 m 處沖擊波超壓為30.2 kPa，相應(yīng)理論計(jì)算結(jié)果為31.7 kPa。理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試值誤差小于6.5%，說(shuō)明式（1）可以用于計(jì)算活性材料爆炸驅(qū)動(dòng)空氣沖擊波峰值超壓。

壓電傳感器測(cè)試爆炸參數(shù)見表2，其中，Qt為殼體總化學(xué)能。通過(guò)計(jì)算可知，若Al/PTFE 發(fā)生完全化學(xué)反應(yīng)，其峰值超壓應(yīng)為85.9 kPa，而試驗(yàn)測(cè)得峰值超壓為43.3 kPa，說(shuō)明爆炸驅(qū)動(dòng)下Al/PTFE 并未完全反應(yīng)。將測(cè)得的Al/PTFE 空氣沖擊波峰值超壓代入式（1），可以計(jì)算活性材料反應(yīng)度為17.48%。

表 2 壓電傳感器測(cè)試爆炸參數(shù)Table 2 Test data by piezoelectric sensors

Guadarrama 等[12]開展了不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下沖擊波峰值超壓試驗(yàn)研究，得到不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)形成沖擊波峰值超壓。運(yùn)用本文中所改進(jìn)的空氣沖擊波峰值超壓經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)值，得到不同材料爆炸驅(qū)動(dòng)下反應(yīng)度，見表3。

表 3 不同材料在爆炸驅(qū)動(dòng)下反應(yīng)度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of reactive efficiency of different materials under explosion loading

由表3 可知，活性材料在爆炸驅(qū)動(dòng)下的反應(yīng)度在17.39%～26.85%之間，說(shuō)明爆炸驅(qū)動(dòng)下材料僅釋放一部分能量對(duì)爆炸沖擊波產(chǎn)生一定的強(qiáng)化作用。試驗(yàn)結(jié)果在文獻(xiàn)結(jié)果區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明本文考慮活性材料釋放化學(xué)能的沖擊波峰值超壓計(jì)算公式可以用于描述活性材料釋放量對(duì)形成爆炸波產(chǎn)生的強(qiáng)化作用。

3 結(jié) 論

以Al/PTFE、Al/Ni 典型活性材料為研究對(duì)象，通過(guò)火球成形和演變情況、溫度場(chǎng)分布、輻射面積、空氣沖擊波峰值超壓、活性材料反應(yīng)釋放量對(duì)形成爆炸波產(chǎn)生的強(qiáng)化作用等，研究典型活性材料的能量釋放特性，所得結(jié)論如下：

（1）爆炸驅(qū)動(dòng)下，Al/PTFE 迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放能量，延長(zhǎng)火光持續(xù)時(shí)間，增大火球直徑和溫度場(chǎng)區(qū)域輻射面積。而Al/Ni 反應(yīng)延遲時(shí)間相對(duì)于Al/PTFE 材料更長(zhǎng)，在初始時(shí)刻與惰性材料的爆炸火光差異不大，但在爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)過(guò)程中逐漸釋放能量，產(chǎn)生了比Al/PTFE 更大的火球。此外，兩種材料在爆轟作用下產(chǎn)生的碎片撞擊鋼板后，并有部分活性碎片發(fā)生了后續(xù)反應(yīng)。

（2）活性材料在爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)加載條件下反應(yīng)、產(chǎn)生碎片并向四周飛散、撞擊鋼板及后續(xù)反應(yīng)等階段。試驗(yàn)測(cè)得Al/PTFE 材料空氣沖擊波峰值超壓（43.3 kPa）遠(yuǎn)高于Al2O3/PTFE 峰值超壓（30.2 kPa），通過(guò)本文中建立的活性材料空氣沖擊波峰值超壓預(yù)測(cè)模型，證實(shí)了爆炸加載瞬間材料僅發(fā)生了部分化學(xué)反應(yīng)。