王存洪，曹玉武，陳 進(jìn)，孔 霖，孫興昀

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有高毀傷性能的含能材料，這種材料相比惰性材料具有兩方面優(yōu)勢(shì)：(1)一般條件下，化學(xué)反應(yīng)呈鈍性、力學(xué)強(qiáng)度好，可用作結(jié)構(gòu)件；(2)在沖擊載荷作用下，可誘發(fā)組分間或組分與環(huán)境間的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生燃燒/爆炸，同時(shí)釋放出大量能量，既具備類似惰性材料的動(dòng)能侵徹能力，又具有燃燒/爆炸能力。相關(guān)研究[1]發(fā)現(xiàn)，由含能材料制備的破片的毀傷威力和殺傷半徑分別是惰性破片的5 倍和2 倍，顯著提高了破片戰(zhàn)斗部的毀傷威力，已經(jīng)在破片戰(zhàn)斗部等[2-3]武器裝備中得到了廣泛應(yīng)用。

目前，研究者對(duì)含能材料進(jìn)行了大量的研究，對(duì)其力學(xué)性能和沖擊釋能進(jìn)行了深入了解，已經(jīng)從制備工藝、反應(yīng)機(jī)制以及沖擊釋能等方面進(jìn)行了綜述。如：張先鋒等[4]從實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法、作用機(jī)理、沖擊誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)方法理論和數(shù)值模擬等方面對(duì)含能材料的作用特性進(jìn)行了綜述；葉文君等[5]從反應(yīng)材料的組分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制備關(guān)鍵技術(shù)以及反應(yīng)材料各項(xiàng)性能指標(biāo)等方面對(duì)氟聚物基含能材料進(jìn)行了概述；陶玉強(qiáng)等[6]對(duì)含能材料制備技術(shù)進(jìn)行了綜述；陳鵬等[7]對(duì)金屬/氟聚物反應(yīng)材料研究進(jìn)展進(jìn)行了概述；汪德武等[8]對(duì)含能材料的沖擊誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)以及相關(guān)效應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述；陳進(jìn)等[9]對(duì)金屬型含能破片在戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。上述從含能材料制備技術(shù)、釋能特性、反應(yīng)機(jī)制及其在武器裝備應(yīng)用等方面進(jìn)行了相關(guān)評(píng)述，但是缺乏含能材料力學(xué)性能研究方面的綜述。

因含能材料種類多，應(yīng)用范圍廣，本文中，僅對(duì)具有優(yōu)異材料性能、巨大應(yīng)用潛力的金屬型含能材料的力學(xué)行為研究進(jìn)行綜述。因篇幅有限，主要對(duì)目前重點(diǎn)關(guān)注的Al/X（X 代表Ni、Nb、W、Ta、Fe）等金屬型含能材料的研究進(jìn)行梳理。首先，簡(jiǎn)單介紹制備工藝；其次，介紹力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)；再次，介紹金屬型含能材料的力學(xué)性能，主要包括靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能研究以及微觀分析；然后，介紹理論和數(shù)值模擬；最后，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)進(jìn)一步的研究進(jìn)行展望，以期能促進(jìn)金屬型含能材料在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

1 制備工藝

金屬型含能材料的力學(xué)性能主要受制備工藝、材料成分、外界條件等的影響，其中制備工藝是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。因此，選擇合適的制備工藝至關(guān)重要。隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)存在多種成熟的工藝方法，主要包括積疊軋制法[10-11]、模壓燒結(jié)法（冷/熱壓燒結(jié)）[12]、冷/熱等靜壓法[13-14]、爆炸粉末燒結(jié)法[15]、動(dòng)力噴涂法[16]、電沉積與熱壓復(fù)合法[17]等。表1 中列舉了5 種典型的金屬型含能材料及其制備工藝。

表1 典型金屬型含能材料及其制備工藝Table 1 Typical metal type energetic materials and their preparation technologies

下面將從工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)等方面對(duì)上述5 種主要的制備工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)。

(1)積疊軋制工藝。1998 年，Saito 等[10]正式提出了積疊軋制（accumulative roll-bonding,ARB）工藝，并用這一工藝成功將純鋁晶粒細(xì)化至1 μm 以下，工藝流程如圖1(a)所示。第1 步，首先將初始板材切割成相同的2 塊，然后對(duì)板材表面進(jìn)行去油脂、打磨處理等；第2 步，將2 塊板材新鮮表面接觸疊合，并將2 塊板材固定緊；第3 步，將疊合的板材先加熱，而后進(jìn)行軋制，在軋制力和金屬的摩擦力作用下將2 塊板材復(fù)合在一起；第4 步，重復(fù)以上3 步。軋制的原料一般為板材或箔片；在軋制過程中，原料受剪切力發(fā)生變形、斷裂、復(fù)合，最終形成相分布均勻的復(fù)合材料；經(jīng)過一定變形后，顆粒內(nèi)晶粒大小可達(dá)納米級(jí)，細(xì)晶強(qiáng)化作用比較明顯，易獲得高強(qiáng)度力學(xué)性能的復(fù)合材料。其中，影響軋制樣品性能的因素包括軋制速率、軋制溫度和原材料表面狀態(tài)等。

圖1 金屬型活性材料制備工藝[10, 12, 21, 26]Fig.1 Preparation technologies of metallic active material[10, 12, 21, 26]

(2)模壓燒結(jié)工藝。模壓燒結(jié)包括冷壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。簡(jiǎn)單來說，冷壓燒結(jié)工藝主要是在常溫下壓制成素胚，再燒結(jié)，而熱壓燒結(jié)工藝則是先將材料混合，然后在一定的溫度和壓力下燒結(jié)，最后再切割成樣品，圖1(b)為冷壓燒結(jié)工藝裝置及實(shí)物圖[12]。模壓燒結(jié)工藝易實(shí)現(xiàn)小件和批量生產(chǎn)，是金屬型活性材料常用的制備技術(shù)，但是較難獲得高致密度和高強(qiáng)度的樣品，并且通過此工藝制備的材料力學(xué)性能會(huì)受壓制壓力、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間等工藝參數(shù)的影響。Xiong 等[18-19]采用模壓成型制備了Al/Ni 等3 種復(fù)合材料，壓制壓強(qiáng)為850 MPa，材料的致密度分別達(dá)到94.3%、95.2%和 98.5%，未經(jīng)燒結(jié)的材料壓縮強(qiáng)度分別為266、114 和240 MPa。另外，如較高熔點(diǎn)的Ni、Fe、Ti 混合物，當(dāng)溫度達(dá)到它們的燒結(jié)溫度時(shí)，Al 已經(jīng)熔化而發(fā)生了反應(yīng)，實(shí)際上該類復(fù)合材料在Al 熔化前就可反應(yīng)[20]。因此，通過燒結(jié)較難提高該類材料的致密度和力學(xué)性能。

(3)爆炸粉末燒結(jié)工藝。爆炸粉末燒結(jié)工藝是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，以沖擊波的形式瞬間作用于金屬或非金屬粉末，在瞬態(tài)、高溫、高壓下發(fā)生燒結(jié)的一種材料加工或合成的新技術(shù)，圖1(c)為爆炸粉末燒結(jié)法裝置圖[21]。爆炸粉末燒結(jié)法作為一種新型材料加工技術(shù)，具有燒結(jié)時(shí)間短（一般為幾十微秒）、作用壓力高（可達(dá)0.1～100 GPa）等特征，制備的金屬型含能材料具有力學(xué)強(qiáng)度高、致密性好等特性。但是，當(dāng)沖擊波的強(qiáng)度達(dá)到材料的反應(yīng)閾值時(shí)會(huì)引起材料發(fā)生放熱反應(yīng)，導(dǎo)致材料提前反應(yīng)，造成能量損失[22]。因此，在制備過程中，控制爆炸沖擊波的強(qiáng)度，使其低于材料反應(yīng)閾值，一直是爆炸粉末燒結(jié)工藝的技術(shù)難點(diǎn)。

(4)冷/熱等靜壓工藝。冷等靜壓（cold isostatic pressing, CIP）工藝主要用于粉體材料成型。一般用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質(zhì)，工藝流程主要包括原料混合、模具制成胚體、冷等靜壓、燒結(jié)等。熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）工藝是將樣品置于密閉容器中，在高溫和各向同等壓力的條件下制備出高致密度的樣品[13]。該技術(shù)克服了冷等靜壓及粉末冶金工藝的缺點(diǎn)，相比于冷等靜壓工藝所需要的壓力更低，可實(shí)現(xiàn)金屬型活性材料的致密化，能夠獲得良好的力學(xué)性能，保持材料的能量特性，是制備納米復(fù)合材料的一種有效工藝。其中，冷/熱等靜壓工藝的基本原理及應(yīng)用現(xiàn)狀參見Atkinson 等[23]和姜卓鈺等[24]的綜述性文章。

(5)動(dòng)力噴涂工藝。動(dòng)力噴涂，也稱為冷噴涂，最早由Alkhimov 等[25]提出，主要用于制備表面涂層，以改善材料的耐蝕、摩擦、隔熱等性能，同時(shí)也可用于制備薄壁管形器件。為了獲得較好的致密度和黏著性，噴速一般較高，達(dá)800 m/s[16]。其中，噴涂工藝參數(shù)是控制材料反應(yīng)的關(guān)鍵因素，主要包括粉末駐留時(shí)間、基體溫度、撞擊速率等。粉末的高速撞擊類似于樣品的沖擊實(shí)驗(yàn)，當(dāng)沖擊速度高于臨界閾值時(shí)也會(huì)引起材料反應(yīng)，工作原理如圖1(d)所示[26]。粉末粒子在高速?zèng)_擊條件下發(fā)生劇烈的塑性變形，可以使Al 粉等活性金屬粉末表面的致密氧化層發(fā)生破碎，使新的組元表面接觸。冷噴涂工作溫度低于組分熔點(diǎn)，對(duì)噴涂粒子的熱影響較小，避免了噴涂過程中組分之間發(fā)生反應(yīng)[27]。相比于冷壓工藝，冷噴涂過程中粉末可以在惰性氣氛（He、N2）下進(jìn)行加速，有效避免了粉末的氧化[27]，而且材料致密度高，沉積效率高，尤其適用于塊體活性材料及形狀復(fù)雜件的制備[28]。

除上述5 種主要的制備技術(shù)外，還存在高壓扭轉(zhuǎn)法[29]、物理氣相沉積法[30]和擠出成型法[31]等技術(shù)。其中，Horita 等[32]采用高壓扭轉(zhuǎn)法制備了不同Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ti/Al 復(fù)合材料，其中Ti/3.2Al 的拉伸強(qiáng)度達(dá)400 MPa；Russell 等[31]采用包套熱擠壓工藝制備了80Al/20Ti、80Al2024/20Ti 棒材，其中，80Al/20Ti 拉伸強(qiáng)度達(dá)890 MPa。表2 中對(duì)主要制備工藝技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行了歸納。

表2 主要制備工藝技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用Table 2 Characteristics and applications of main preparation technologies

綜上，制備金屬型含能材料的工藝技術(shù)較多，但每種技術(shù)均有自己的局限性，如表2 所示。目前，熱等靜壓工藝因易于控制，并且能制備出力學(xué)性能良好、致密度高的大樣本材料而被廣泛應(yīng)用于塊體材料制備；爆炸粉末燒結(jié)工藝因能制備出高密度、高強(qiáng)度材料而被用于小尺寸樣品制備。因此，針對(duì)不同的工藝要求和材料性能，選擇合適的制備工藝至關(guān)重要。此外，開發(fā)新的制備技術(shù)仍將是制備高密度、高強(qiáng)度金屬型含能材料的研究重點(diǎn)。

2 力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)

金屬型含能材料在爆炸驅(qū)動(dòng)作用下高速撞擊目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燃燒/爆炸現(xiàn)象，同時(shí)釋放出大量能量，對(duì)目標(biāo)既產(chǎn)生類似惰性材料的動(dòng)能侵徹，又產(chǎn)生燃燒/爆炸的二次毀傷效果。其中，材料力學(xué)性能決定著侵徹能力，嚴(yán)重影響武器裝備的毀傷能力，一直是研究人員關(guān)注的關(guān)鍵問題。為深入了解金屬型含能材料的力學(xué)性能，研究人員設(shè)計(jì)了多種力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，主要分為靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。

靜力學(xué)行為即低應(yīng)變率（ε˙≤1.0 s?1）情況下材料的力學(xué)行為，通常采用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料靜力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)技術(shù)成熟，此處不再贅述。相比靜力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能才是金屬型含能材料實(shí)際應(yīng)用中考核的首要指標(biāo)。因此，研究人員根據(jù)加載方式的不同，分別設(shè)計(jì)了低、中、高3 類應(yīng)變率加載系統(tǒng)，包括擺錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[44]、落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[45]、分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）[46]、泰勒（Taylor）桿[47]和脈沖加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[48]等。在低應(yīng)變率（ε˙≤102s?1）研究中，一般采用擺錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；在中高應(yīng)變率（1 02s?1≤ε˙≤105s?1）研究中，主要采用分離式霍普金森壓桿和泰勒桿等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過對(duì)樣品在不同應(yīng)變率情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析，得到材料的力學(xué)本構(gòu)模型參數(shù)，并利用有限元模擬來驗(yàn)證參數(shù)的可靠性；在更高應(yīng)變率（1 04s?1≤ε˙≤106s?1）實(shí)驗(yàn)中，研究者通常采用化爆飛片增壓技術(shù)或氣體炮高壓技術(shù)得到含能材料的Hugoniot 相關(guān)參數(shù)和沖擊壓縮物態(tài)方程。下面主要對(duì)動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)及工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由提升機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等組成，可進(jìn)行中低應(yīng)變率條件下的壓縮實(shí)驗(yàn)[45]。該方法是通過改變落錘質(zhì)量或落高，使落錘以不同的速度撞擊壓縮試件，經(jīng)過分析落高、撞擊速度和試件破壞結(jié)果之間的關(guān)系，研究材料的力學(xué)響應(yīng)和破壞特性。

SHPB 系統(tǒng)主要由加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、彈性壓桿系統(tǒng)、信號(hào)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖2(a)所示。SHPB 技術(shù)要求準(zhǔn)確測(cè)定撞擊桿撞擊輸入桿時(shí)的末速度，當(dāng)撞擊桿撞擊輸入桿時(shí)，將會(huì)依次遮擋圖2(a)中的兩激光束，通過光電放大轉(zhuǎn)換電路可以得到撞擊桿通過兩激光束的時(shí)間差Δt，由于兩激光束的距離L已知，即可求得撞擊桿的末速度v=L/Δt。其中，應(yīng)變測(cè)量由粘貼在入射桿和透射桿上的電阻應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等組成的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)完成，詳細(xì)的系統(tǒng)要求和測(cè)試原理見文獻(xiàn)[46]。

圖2 力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)[17,47-48]Fig.2 Mechanical property test systems[17,47-48]

Taylor 桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)射裝置、撞擊桿、測(cè)速系統(tǒng)和剛性靶板等系統(tǒng)組成。如圖2(b)所示[47]，先發(fā)射圓柱形彈體撞擊剛性靶板，然后測(cè)量得到子彈變形前后的尺寸，最后結(jié)合理論分析得到材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，該技術(shù)是一種驗(yàn)證材料本構(gòu)模型及參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，也是評(píng)估數(shù)值分析軟件的較理想的手段。

脈沖加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要加載方式有炸藥驅(qū)動(dòng)技術(shù)、輕氣炮技術(shù)、激光加載技術(shù)、高能粒子束的能量沉積技術(shù)等。圖2(c)為輕氣炮脈沖加載平板撞擊實(shí)驗(yàn)裝置[48]，實(shí)驗(yàn)中利用輕氣炮對(duì)彈托和金屬飛片進(jìn)行加載，飛片以一定的速度撞擊入射層產(chǎn)生初始沖擊波，沖擊波依次通過入射層、傳感器、材料試件、傳感器、透射窗口，其中傳感器用來記錄輸入和透射出試件的沖擊波瞬態(tài)波形；根據(jù)加載條件、壓力瞬態(tài)波形和試件尺寸參數(shù)來確定沖擊波壓力、沖擊波速度等。

表3 對(duì)上述力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)原理及特點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)。

表3 測(cè)試系統(tǒng)原理及特點(diǎn)Table 3 Principles and characteristics of test systems

目前，存在許多成熟的材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)變率下金屬型含能材料力學(xué)性能測(cè)試。在眾多動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法中，SHPB 技術(shù)因操作方便、裝置簡(jiǎn)單、加載信號(hào)易測(cè)易控等優(yōu)點(diǎn)，成為了中高應(yīng)變率條件下材料力學(xué)性能研究中最常用的實(shí)驗(yàn)方法[49]；輕氣炮平板撞擊技術(shù)因能精確控制加載條件，方便進(jìn)行各種光、電等的測(cè)量，成為了實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的高速加載實(shí)驗(yàn)手段[48]。

3 力學(xué)性能及其微觀分析

基于上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，研究者分別對(duì)金屬型含能材料的靜力學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，開展了工藝參數(shù)、應(yīng)變率、元素成分等對(duì)材料力學(xué)性能影響規(guī)律的研究，并且通過掃描電子顯微鏡等微觀分析手段對(duì)材料微觀性能進(jìn)行了分析，揭示了影響材料力學(xué)性能的機(jī)制。

3.1 靜力學(xué)行為研究

研究人員對(duì)金屬型含能材料的靜力學(xué)行為進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)材料的制備工藝、元素成分及分布等對(duì)材料靜力學(xué)性能有顯著影響。

在制備工藝方面，徐濤等[50]對(duì)比了爆炸加載工藝與壓制成型工藝對(duì)樣品力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)爆炸加載后Al/Ni 含能材料的密實(shí)度、維氏硬度、屈服強(qiáng)度和失效強(qiáng)度均有提升，相比于壓制成型的樣品，失效應(yīng)力提升34%和52.2%；王比等[51]通過爆炸粉末燒結(jié)工藝制備了Al/W 含能材料，研究發(fā)現(xiàn)爆炸燒結(jié)后材料的致密度由原來的平均65%提高到98%，幾乎接近理論值，所制備樣品的最大抗壓強(qiáng)度和失效應(yīng)變分別達(dá)到288 MPa 和20%?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于壓制成型工藝，爆炸粉末燒結(jié)法能顯著提高材料的致密度及其力學(xué)性能。

在元素成分及其配比方面，Wei 等[52]研究了Al/Ni、Al/W、Al/Ta 等多種Al 基金屬型含能材料在爆炸燒結(jié)后的靜態(tài)力學(xué)性能，通過準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖3）發(fā)現(xiàn)，Al/W 的壓縮強(qiáng)度最小，約為240 MPa，Al/Ta 的壓縮強(qiáng)度最大，約為450 MPa。Ren 等[53]對(duì)Al/Ni、Al/Ni/CuO 和 Al/Ni/MoO3等3 類Al/Ni 基金屬型含能材料的靜力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)材料的屈服強(qiáng)度分別為(202±10)、(200±3)和(190±2) MPa。曹召勛等[54]對(duì)采用模壓成型方法制備的3 種不同Ni 含量的Al/Ni 金屬型活性材料的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)3 種材料在單軸壓縮狀態(tài)下的強(qiáng)度分別達(dá)到372、395 和264 MPa；通過微觀分析得到，Ni 相由團(tuán)聚分布變?yōu)榫鶆蚍植紩r(shí)，材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度由264 MPa 上升到395 MPa，提高了40.9%?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同工藝條件下元素成分以及配比均能對(duì)材料靜力學(xué)性能造成顯著影響。因此，選擇合適的元素及其成分配比對(duì)制備高強(qiáng)度金屬型含能材料至關(guān)重要。

圖3 Al 基含能材料準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[52]Fig.3 Quasi-static compressive stress-strain curves of Al-based energetic material[52]

此外，研究人員還研究了材料結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響，如Patselov 等[36]在一定溫度和壓力下，利用熱壓法制備了Al/Ti 含能材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿金屬箔疊加方向的抗壓強(qiáng)度達(dá)512 MPa；丁青云等[55]采用化學(xué)鍍和熱壓復(fù)合法制備了微米級(jí)尺度的Al/Ni 多層含能材料，研究了層厚比對(duì)其組織結(jié)構(gòu)、放熱性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)原始層厚比為2/3 的Al/Ni 多層含能材料具有最高的能量密度和良好的強(qiáng)度及塑性，其抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)285.05 MPa、8.87 %和309.09 MPa，并且隨著Al/Ni 原始層厚比從1/2 增大到1，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度不斷提高，塑性逐漸降低，但是界面分層現(xiàn)象不斷加劇，這種現(xiàn)象主要是由材料成分和界面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

綜上，金屬型含能材料的靜力學(xué)行為會(huì)受制備工藝、元素成分及其配比等的影響，通過改變制備工藝、調(diào)節(jié)元素成分等方法可以改善材料的力學(xué)性能。目前，研究人員對(duì)金屬型活性材料的制備工藝、元素成分及其配比等方面研究眾多，但是缺乏對(duì)不同工藝之間材料力學(xué)性能的對(duì)比研究。

3.2 動(dòng)力學(xué)行為研究

金屬型含能材料的動(dòng)力學(xué)性能直接影響武器裝備的毀傷威力。因此，弄清金屬型含能材料在動(dòng)態(tài)加載下的力學(xué)行為，研究不同條件下的動(dòng)力學(xué)性能尤為重要。隨著測(cè)試手段的不斷發(fā)展和成熟，研究人員對(duì)金屬型含能材料的動(dòng)力學(xué)性能開展了大量研究，并取得許多研究成果，對(duì)含能材料的工程應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。目前，研究人員主要從應(yīng)變率加載、工藝參數(shù)（燒結(jié)溫度等）、微觀性能（顆粒尺寸、孔隙率等）、材料成分等方面對(duì)金屬型含能材料的動(dòng)力學(xué)性能開展了研究。

3.2.1 應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能的影響

金屬型含能材料在爆炸加載驅(qū)動(dòng)和撞擊目標(biāo)的過程中會(huì)受到高應(yīng)變率加載，而高應(yīng)變率加載則是造成材料失效的主要原因。早期，國(guó)外研究者對(duì)金屬型含能材料力學(xué)行為進(jìn)行了初步探索，得到了材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及相關(guān)Hugoniot 參數(shù)，為金屬型含能材料力學(xué)行為研究奠定了基礎(chǔ)。Dunbar 等[56]通過研究爆炸粉末燒結(jié)工藝制備的Al/W、Al/Ni、Al/Nb、Al/Ta和Al/Mo 等含能材料的動(dòng)態(tài)破壞響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Ni、W、Mo、Nb、Ta等粉末與Al 復(fù)合后爆炸燒結(jié)致密物的力學(xué)性能和破壞模式取決于不連續(xù)相與連續(xù)相界面的強(qiáng)度；Thadhani 等[38]通過飛片增壓技術(shù)測(cè)量了Ti/Si 含能材料的Hugoniot 參數(shù)和沖擊壓縮物態(tài)方程，對(duì)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析；Ferranti 等[39]基于改進(jìn)的反向Taylor 桿技術(shù)，測(cè)量了Al/Fe2O3含能材料的力學(xué)性能，給出了不同組分材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

隨后，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)金屬型含能材料的動(dòng)力學(xué)行為也進(jìn)行了研究。Ren 等[57]和劉曉俊等[58-59]基于SHPB 系統(tǒng)研究了加載應(yīng)變率對(duì)Zr/W 含能材料動(dòng)力學(xué)性能的影響以及燒結(jié)前后材料的釋能特性，實(shí)驗(yàn)得到Zr/W 材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度在1060～2690MPa 之間，材料具有高強(qiáng)度和彈脆特性[57]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下均呈現(xiàn)良好的線彈性，彈性模量對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)不敏感，約為186GPa，燒結(jié)后的試樣在強(qiáng)沖擊載荷作用下發(fā)生破碎反應(yīng)并釋放大量的熱量，表現(xiàn)出很高的含能特性[59]。宋超慧等[60]對(duì)不同應(yīng)變率下不同配比的Al/W 含能材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮和破壞特性實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)W 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%和64%時(shí)，Al/W 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈塑性強(qiáng)化的變形特點(diǎn)，破壞應(yīng)變隨應(yīng)變率升高而增大，圖4 為不同應(yīng)變率下Al/W 材料的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

圖4 W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al/W 含能材料在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線[60]Fig.4 Dynamic true stress-strain curves of Al/W energetic materials with different mass fractions of W under different strain rates[60]

Zhang 等[61]和張將等[62]對(duì)Zr/W 含能材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及沖擊金屬腔體的侵爆行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Zr/W 合金在沖擊壓縮過程中會(huì)出現(xiàn)中應(yīng)變率（＜500 s?1）脆性斷裂和高應(yīng)變率（＞1000 s?1）沖擊反應(yīng)2 種狀態(tài)，能量釋放率隨沖擊速度的升高明顯提高?？梢?，Zr/W 含能材料是一種典型的彈脆性材料，能量釋放率明顯受沖擊速度的影響。近年來，陳元建等[63]、陳進(jìn)等[64]和Chen 等[65]采用冷壓后燒結(jié)熱處理方法制備一種高密度Al/Ni/W 含能材料，并通過SHPB 對(duì)含能材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變率為1 000 s?1的條件下動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度約為500 MPa[63]，并且發(fā)現(xiàn)材料的成形溫度會(huì)明顯影響壓縮強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)變速率為4 000 s?1時(shí)，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度可達(dá)952 MPa[64]。

上述研究主要針對(duì)單一條件下加載應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)性能的影響，得到了不同材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度，給出了不同應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，而對(duì)含能材料在爆炸加載條件下面臨的復(fù)雜環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能的影響還缺乏研究。

3.2.2 工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

工藝參數(shù)是材料制備的核心，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)可以制備出具有不同性能的材料。因此，為了制備出高性能金屬型含能材料，研究者研究了不同工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響。

熊瑋等[66]研究了Al/Ni 多層含能材料的軋制次數(shù)及結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能和沖擊釋能特性的影響，發(fā)現(xiàn)基于冷軋技術(shù)制備的Al/Ni多層復(fù)合材料比粉末壓制而成的Al/Ni復(fù)合材料塑性更強(qiáng)，材料的抗壓強(qiáng)度總體隨冷軋次數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)，并且發(fā)現(xiàn)在相同撞擊速度(800～1500m/s)下，釋放的化學(xué)能隨著軋制道次的增加而逐漸降低。耿鐵強(qiáng)等[67]研究了燒結(jié)溫度對(duì)Al/Ni 含能材料動(dòng)力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能有明顯的影響，平均流變應(yīng)力隨著燒結(jié)溫度的升高逐漸升高，當(dāng)燒結(jié)溫度為20℃時(shí)，材料的平均流變應(yīng)力約為205MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度為540℃時(shí)，平均流變應(yīng)力約為249.2MPa。陳進(jìn)等[64]和Chen 等[65]研究了不同成形溫度對(duì)Al/Ni/W 含能材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)材料的流變應(yīng)力隨成形溫度提高而大幅提高。此外，Wang 等[17]制備了集放熱性能和力學(xué)性能于一體的多層Al/Ni 含能材料，研究了室溫下多層Al/Ni 含能材料的熱壓時(shí)間及其動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變率對(duì)微觀組織演變和壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱壓時(shí)間從1 h 延長(zhǎng)到4 h 時(shí)，Al/Ni 復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度顯著提高，應(yīng)變率為6500 s?1時(shí)壓縮強(qiáng)度提升最顯著，圖5 為不同熱壓時(shí)長(zhǎng)下Al/Ni 樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5 2 種熱壓條件下Al/Ni 試樣的動(dòng)態(tài)壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線[17]Fig.5 Dynamic compressive true stress-strain curves of Al/Ni samples under two different hot-pressing conditions[17]

另外，Guo 等[68]對(duì)不同環(huán)境溫度和應(yīng)變率下Al/W 含能材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度升高或應(yīng)變率降低，材料的流變應(yīng)力持續(xù)降低，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了Al/W 合金的本構(gòu)方程，很好地描述了高溫下材料的變形行為。

金屬型含能材料制備性能會(huì)受多種工藝參數(shù)影響，目前只針對(duì)個(gè)別工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，如燒結(jié)溫度、軋制次數(shù)、熱壓時(shí)間等，而對(duì)于其他工藝參數(shù)研究報(bào)道較少。因此，進(jìn)一步開展其他關(guān)鍵工藝參數(shù)研究是尤為重要的。

3.2.3 微觀性能對(duì)力學(xué)性能的影響

隨著對(duì)金屬型含能材料力學(xué)性能研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)材料微觀性能（顆粒微觀尺寸、形狀、孔隙率等）對(duì)材料動(dòng)力學(xué)行為以及斷裂損傷行為具有一定的影響。

早期，Eakins 等[48]研究了顆粒形狀和密實(shí)度對(duì)Al/Ni 粉末混合物抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸和形態(tài)變化導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)生顯著變化（0.5～6GPa），粉末混合物的沖擊致密化行為對(duì)顆粒尺寸等參數(shù)非常敏感，其混合參數(shù)（顆粒尺寸等）和抗壓強(qiáng)度之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這為后期微觀性能方面的研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，Olney 等[42]研究了Al/W 含能材料的顆粒間的黏結(jié)、孔隙率、Al 和W 的顆粒尺寸對(duì)材料動(dòng)力學(xué)性能的影響，通過動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)Al 顆粒間的黏結(jié)、孔隙率、Al 和W 的顆粒尺寸、W 顆粒的排列以及各顆粒的力學(xué)性能均對(duì)材料的整體變形行為產(chǎn)生直接影響，W 顆粒初始排列的變化是決定樣品中全局剪切帶形成位置的主要驅(qū)動(dòng)因素，顆粒復(fù)合材料的剪切局部化機(jī)制是由于軟質(zhì)Al 顆粒在剛性W 顆粒周圍的局部高應(yīng)變流動(dòng)導(dǎo)致的局部損傷積累和中/宏觀剪切帶/裂紋的生長(zhǎng)引起的。Nesterenko 等[69]在Olney 等[42]研究的基礎(chǔ)上，研究了不同工藝（CIP 和HIP）條件下Al/W 含能材料的顆粒尺寸及孔隙率對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和斷裂模式的影響，基于實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Al/W 材料的力學(xué)性能和破碎產(chǎn)生的碎片尺寸對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)高度敏感，W 顆粒的形態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和斷裂形態(tài)有很大影響，并且在相同孔隙率下，含有細(xì)W 顆粒樣品的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度明顯高于含有粗W 顆粒樣品的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。此外，Dolgoborodov 等[70]對(duì)高孔隙率含能材料的力學(xué)性能開展了研究，發(fā)現(xiàn)在爆炸沖擊波作用下孔隙率對(duì)含能材料力學(xué)特性有顯著影響。另外，耿鐵強(qiáng)等[67]基于SHPB 系統(tǒng)，研究了不同燒結(jié)溫度下Al/Ni 含能材料的微觀組織形貌和力學(xué)性能，通過對(duì)比不同燒結(jié)溫度下Al/Ni 含能材料的微觀組織，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度會(huì)改變Ni 顆粒和Al 顆粒之間的空隙，改變材料的密度，進(jìn)一步影響材料的抗壓強(qiáng)度，但沒有分析材料孔隙及其形態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響。

相比于對(duì)應(yīng)變率加載和工藝參數(shù)方面的研究，針對(duì)微觀性能對(duì)材料動(dòng)力學(xué)性能影響的研究報(bào)道普遍較少，并且相關(guān)研究主要側(cè)重于數(shù)值模擬（見第4 節(jié)），缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

3.2.4 材料成分對(duì)力學(xué)性能的影響

在3.1 節(jié)靜力學(xué)部分中已經(jīng)介紹，金屬型含能材料的成分會(huì)影響材料的靜力學(xué)性能，同理，它也會(huì)對(duì)材料的動(dòng)力學(xué)行為產(chǎn)生一定影響。劉曉俊等[58]基于SHPB 系統(tǒng)對(duì)不同成分配比的Zr/W 含能材料進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件1（W 和Zr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34%和66%）的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度明顯高于另外2 組，應(yīng)變率為1000s?1 時(shí)其值為2690MPa；試件1 在應(yīng)變率230～1200s?1下的壓縮強(qiáng)度變化不大，僅提高了7%；試件3（W 和Zr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66%和34%）在低應(yīng)變率下的壓縮強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度差別不大，但當(dāng)加載應(yīng)變率為690～1120s?1 時(shí)，試件3 的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度則提高至1410～1581MPa。結(jié)果表明：3種材料的壓縮強(qiáng)度都表現(xiàn)出一定的正應(yīng)變率效應(yīng)，材料成分對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能有明顯的影響。宋超慧等[60]采用模壓燒結(jié)工藝，制備了4 種不同W 含量的Al/W 含能材料，基于SHPB系統(tǒng)研究了W 含量變化對(duì)其動(dòng)力學(xué)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變率為1750s?1時(shí)，隨著W 含量的增大，Al/W 含能材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能呈先增后減的趨勢(shì)，分析得到導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是Al/W 含能材料內(nèi)部缺陷和增強(qiáng)相W 的相互競(jìng)爭(zhēng)，圖6 為4 種不同W 含量的Al/W材料的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，其中AW-44、AW-64、AW-83、AW-91 分別代表W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%、64%、83%、91%的Al/W 試件。

圖6 Al/W 材料的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線[60]Fig.6 Dynamic true stress-true strain curves of Al/W[60]

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)摻雜其他金屬或金屬氧化物對(duì)材料動(dòng)力學(xué)性能具有顯著影響。如宋丹丹[43]采用冷噴涂工藝制備了密度接近6g/cm3的Al/Ni/W 活性材料，研究發(fā)現(xiàn)W 元素除了提高材料的密度外，還與Al 發(fā)生反應(yīng)，生成一系列Al/W 金屬間化合物，相比于同一組分Al/Ni 含能材料，W 元素的增加可以有效提高其動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度。同理，陳元建等[63]將Al/Ni/W 含能材料中的W 粉替換成Ta 粉，并且加入其他3 種微量稀土金屬，經(jīng)熱處理后發(fā)現(xiàn)材料的密度由7.82g/cm3 提高到了8.05g/cm3。由此發(fā)現(xiàn)，增添其他金屬元素會(huì)改變材料的密度和力學(xué)強(qiáng)度。另外，Ren 等[53]對(duì)添加不同金屬氧化物的Al/Ni 含能材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)加入CuO 的Al/Ni 材料的屈服應(yīng)力低于無金屬氧化物的Al/Ni 材料，并且發(fā)現(xiàn)在不同應(yīng)變率下，加入MoO3使Al/Ni 含能材料的屈服應(yīng)變顯著減小，得到添加金屬氧化物會(huì)顯著影響Al/Ni 含能材料動(dòng)力學(xué)性能的結(jié)論。

由此看出，金屬型含能材料的材料成分對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能有顯著影響，通過改變成分配比或者添加其他金屬元素/金屬氧化物可以提高材料的力學(xué)性能。這將為制備高密度、高強(qiáng)度的金屬型含能材料開辟了一條新的技術(shù)路線。

綜上，在金屬型含能材料動(dòng)力學(xué)性能研究方面，現(xiàn)有的工作主要研究了應(yīng)變率、工藝參數(shù)、微觀性能及材料成分等對(duì)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過改變制備工藝、調(diào)節(jié)制備溫度以及添加微量元素等方法可以有效地改善材料的力學(xué)性能，為制備高性能金屬型含能材料及其工程應(yīng)用提供了有效的指導(dǎo)。需要指出的是：(1)針對(duì)金屬型含能材料在碰撞過程中所面臨的復(fù)雜環(huán)境，除考慮應(yīng)變率對(duì)其力學(xué)性能的影響外，還需進(jìn)一步研究其他環(huán)境條件（如溫度、磁場(chǎng)等）對(duì)其力學(xué)性能的影響；(2)目前針對(duì)部分工藝參數(shù)（軋制次數(shù)、燒結(jié)溫度等）對(duì)材料力學(xué)性能的影響已經(jīng)進(jìn)行了研究，而對(duì)其他關(guān)鍵工藝參數(shù)（壓制壓力等）的研究報(bào)道較少；(3)在材料微觀性能對(duì)其動(dòng)力學(xué)行為的影響方面，研究者主要側(cè)重于數(shù)值模擬研究，缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證；(4)通過合理的成分配比以及添加其他金屬元素/金屬氧化物等，能夠制備出高性能、高強(qiáng)度的金屬型含能材料。

3.3 微觀分析

金屬型含能材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)是決定其力學(xué)性能的重要因素之一。為揭示材料成分、工藝參數(shù)以及外載荷等對(duì)金屬型含能材料宏觀力學(xué)行為的影響及其內(nèi)在機(jī)制，研究者利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）、X 射線衍射儀（X-ray diffractometer, XRD）和能譜儀等設(shè)備對(duì)不同狀態(tài)下材料微觀行為（微觀形貌、物相組成和元素分布等）進(jìn)行了分析和討論。

材料成分對(duì)金屬型含能材料的力學(xué)性能有明顯影響，為進(jìn)一步分析其內(nèi)在機(jī)制，研究人員對(duì)其微觀形貌進(jìn)行了分析。宋超慧等[60]對(duì)采用模壓燒結(jié)法制備的4 種W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同（44%、64%、84% 和91%）的Al/W 含能材料進(jìn)行了微觀表征與分析，發(fā)現(xiàn)Al/W 材料中的缺陷會(huì)隨著W 含量的提高而明顯增多（見圖7），結(jié)合材料動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到，材料動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能是由材料增強(qiáng)相W 和內(nèi)部缺陷決定的。Kelly 等[71]基于激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)，研究了Al/Ni 多層復(fù)合材料的沖擊壓縮特性，通過微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，Al/Ni 多層復(fù)合材料內(nèi)部的不均勻處更容易引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。

圖7 不同W 含量的Al/W 含能材料的SEM 圖像[60]Fig.7 SEM images of Al/W energetic materials with different W additions[60]

金屬型含能材料的工藝參數(shù)是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，在其微觀分析方面，耿鐵強(qiáng)等[67]對(duì)不同燒結(jié)溫度下Ni/Al 含能材料的微觀組織進(jìn)行對(duì)比，如圖8 所示。圖8(a)～(b)為冷等靜壓態(tài)，圖8(c)～(f)分別為510、520、530 和540 ℃燒結(jié)后的微觀組織形貌，顏色較深的為Al，顏色較淺的為Ni。通過SEM 圖像分析得到，當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，Al 和Ni 擴(kuò)散較慢，Ni 顆粒和Al 顆粒之間為簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)合，且存在較多的空隙；當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，Al 和Ni 擴(kuò)散加快，顆粒黏結(jié)面增大，顆粒間的聯(lián)結(jié)增強(qiáng)，能夠減小2 種單相之間存在的空隙，使得顆粒間的結(jié)合變得致密，促使材料的密度有所提升，這與Al/Ni 含能材料的塑性和強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高均得到優(yōu)化的結(jié)論保持一致。徐濤等[50]對(duì)爆炸加載前后Al/Ni 含能材料的SEM 微觀形貌進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓會(huì)使表面的含能材料發(fā)生熔化，底部的含能材料沒有受到高溫的直接作用，含能材料內(nèi)部的孔隙被擠壓，含能材料逐漸密實(shí)，這為爆炸加載后含能材料的密實(shí)度、維氏硬度、屈服強(qiáng)度和失效強(qiáng)度均有提升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了支撐。Chen 等[65]在研究Al/Ni/W 含能材料微觀組織性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，單質(zhì)Al 相的體積分?jǐn)?shù)隨成形溫度提高而減少，成形溫度的升高是導(dǎo)致材料壓縮強(qiáng)度大幅度提高的主要原因。李強(qiáng)等[72]研究了富鋁Fe/Al 粉末在不同燒結(jié)壓力和溫度條件下燒結(jié)產(chǎn)物的組織形貌，發(fā)現(xiàn)10 MPa 壓力下固態(tài)擴(kuò)散生成Fe2Al5的臨界溫度為550 ℃，隨著壓力提高到20 MPa，該溫度下轉(zhuǎn)而生成FeAl3。王肖義等[73]研究了燒結(jié)溫度對(duì)Fe/Al 含能材料微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度為530 ℃時(shí)，燒結(jié)試樣Fe/Al 界面清晰，并且結(jié)合良好，界面處無明顯的反應(yīng)產(chǎn)物存在，而燒結(jié)溫度為540 ℃時(shí)，F(xiàn)e/Al 界面處出現(xiàn)新的過渡層。

圖8 不同溫度燒結(jié)的Ni/Al 含能材料的SEM 圖像[67]Fig.8 SEM images of Ni/Al energetic materials with different sintering temperatures[67]

此外，研究人員對(duì)外載荷加載后材料的微觀形貌進(jìn)行了分析。如：Wei 等[52]對(duì)Al/Ta、Al/Nb 等材料進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮，并對(duì)其顯微組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)顯微組織中硬質(zhì)相的連通結(jié)構(gòu)以及組元間的界面結(jié)合力對(duì)材料的力學(xué)性能具有關(guān)鍵影響，并且通過數(shù)值模擬得到，增大Al 與Ni 的界面結(jié)合力，可以大幅度提高材料的力學(xué)性能。曹召勛等[54]在研究Al/Ni 活性材料的力學(xué)性能及其釋能行為的過程中發(fā)現(xiàn)，相比于原始材料的顯微組織，不同應(yīng)變率加載后樣品的SEM 圖（見圖9）中Ni 分布發(fā)生明顯取向性變化，且應(yīng)變率越高，取向性變化越大，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到4000 s?1時(shí)，材料局部發(fā)生了明顯變形；還發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載條件下團(tuán)聚的Ni 相會(huì)發(fā)生潰散，由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)相，隨應(yīng)變率的提高，潰散現(xiàn)象逐漸加重。陳元建等[63]對(duì)不同應(yīng)變率加載下Al/Ni/W 試件的微觀形貌進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著加載應(yīng)變率的提高，Al 相和Ni 相明顯被拉長(zhǎng)。

圖9 不同加載率下Ni/Al 試件的SEM 圖像[54]Fig.9 SEM images of Ni/Al samples under different strain-rate loading conditions[54]

劉曉俊等[59]對(duì)W/Zr 含能材料力學(xué)加載后斷口處的微觀形貌進(jìn)行了分析，圖10(a)為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后試樣斷口的SEM 圖，可以看出一條明顯的裂紋貫穿Zr 和W2Zr 相，呈現(xiàn)穿晶斷裂，其中灰色區(qū)域?yàn)閆r，較亮的為W2Zr 相；圖10(b)為SHPB 實(shí)驗(yàn)后回收試樣斷口的SEM 圖，發(fā)現(xiàn)表面布滿大量的白色碎末，其中有不少是球形小顆粒，這是由于破碎的細(xì)小的Zr 顆粒與空氣劇烈反應(yīng)生成ZrO2，在表面張力的作用下形成小球，冷卻并最終粘附于較大碎塊的表面；通過對(duì)沖擊反應(yīng)后的碎片進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)不同化合物生成的主要原因是燃燒溫度所致。王比等[51]對(duì)爆炸燒結(jié)的Al/W 含能材料進(jìn)行了研究，對(duì)比了制備前和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后材料的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)沖擊壓力是粉末致密化的主導(dǎo)因素；粉末粒徑對(duì)燒結(jié)密度影響顯著，粒徑越小，W 顆粒團(tuán)聚越明顯，阻礙了材料的致密化；并且得到Al/W 材料的力學(xué)性能和斷裂模式主要取決于連續(xù)相，Al 相連續(xù)的樣品抗壓強(qiáng)度低、塑性較好，呈軸向劈裂破壞，而W 相連續(xù)的樣品則表現(xiàn)出脆性和高抗壓強(qiáng)度，破壞模式為剪切破壞。

圖10 W/Zr 試件斷口處SEM 圖[59]Fig.10 SEM images of fracture for W/Zr samples[59]

另外，研究人員對(duì)金屬型含能材料在不同條件下的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。耿鐵強(qiáng)等[67]對(duì)Al/Ni 含能材料在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮失效后的樣品進(jìn)行了物相結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下，經(jīng)不同溫度燒結(jié)后材料能夠保持各自的獨(dú)立組元，并不會(huì)生成其他金屬間化合物；動(dòng)態(tài)壓縮后樣品中僅存在著Ni、Al 單質(zhì)衍射峰，表明在1 000 s?1應(yīng)變率下不會(huì)發(fā)生金屬間化合反應(yīng)；由此證明，材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷和1 000 s?1應(yīng)變率下能夠保持足夠的鈍感。劉青等[74]利用差示掃描量熱法對(duì)冷噴涂方法制備的Ni/Al/W活性復(fù)合材料進(jìn)行了反應(yīng)閾值溫度及能量釋放水平的測(cè)定，并結(jié)合SEM 和XRD 檢測(cè)手段確定了活性復(fù)合材料在不同溫度下的反應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)在制備過程中材料并沒有發(fā)生金屬間化合反應(yīng)。

綜上，通過金屬型含能材料微觀分析發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)部硬質(zhì)相的連通結(jié)構(gòu)以及組元間的界面結(jié)合力是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，Al/W 材料中的缺陷會(huì)隨著W 含量的提高而明顯增多，Al/W 材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能是由材料增強(qiáng)相W 和內(nèi)部缺陷決定的，Al/Ni 材料的塑性和強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高均得到優(yōu)化，這些結(jié)論將為制備高性能金屬型含能材料及其宏觀力學(xué)行為研究提供可靠支撐。然而，對(duì)于材料微觀行為在時(shí)間與空間上連續(xù)的變化過程，目前缺乏有效的研究手段。因此，為了給材料宏觀動(dòng)力學(xué)性能研究提供更準(zhǔn)確的分析，需對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中材料的微觀行為進(jìn)行研究。

4 理論與數(shù)值模擬

目前，針對(duì)金屬型含能材料的動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值模擬研究主要有2 種方法：一種是通過材料性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬來確定本構(gòu)模型中的各項(xiàng)參數(shù)，得到材料力學(xué)本構(gòu)模型；另一種是從細(xì)觀尺度上建立含能材料動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究動(dòng)力學(xué)加載下材料細(xì)觀特性對(duì)金屬型含能材料動(dòng)力學(xué)行為的影響。在本構(gòu)模型研究中，已有的金屬材料動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型有Johnson-Cook (J-C)模型、Khan-Huang 模型、Zerilli-Armstrong 模型和Lim-Huh 模型等[75]。其中，J-C 模型中考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和熱軟化對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，用該模型描述沖擊載荷下材料的強(qiáng)度和延性有較高的精確性，并且其形式簡(jiǎn)單、物理解釋清晰等，研究者經(jīng)常將它與一維彈脆性損傷本構(gòu)模型結(jié)合，一起來描述含能材料的本構(gòu)關(guān)系。J-C 模型的具體形式為：

式中：A為初始屈服應(yīng)力；B為應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)；n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；m為溫度敏感指數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變；為等效塑性應(yīng)變率，為參考應(yīng)變率；T?=(T?Tr)(Tm?Tr) ，Tr和Tm分別為室溫和材料熔化溫度。

基于J-C 本構(gòu)模型，研究人員通過材料性能實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的途徑來確定模型中的各項(xiàng)參數(shù)，從而得到材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。Ren 等[53]利用SHPB 技術(shù)獲得了Al/Ni 等3 種含能材料的壓縮曲線以及JC 本構(gòu)模型參數(shù)，采用冷能疊加法和Wu-Jing 方程計(jì)算了材料的Hugoniot 參數(shù)，并且通過直接彈道實(shí)驗(yàn)和沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)模型擬合得到了材料的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)；張將等[62]對(duì)鎢鋯合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了一維彈脆性損傷本構(gòu)模型來描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；Gao 等[76]對(duì)W/Ta 合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及其本構(gòu)模型進(jìn)行了研究，得到了2 種W/Ta 合金的J-C 模型材料常數(shù)，并通過模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了所建立的本構(gòu)模型；史安順等[77]基于混合物冷能疊加原理以及W/Cu、Al/Ni 等含能材料的Hugoniot 數(shù)據(jù)，得到了密實(shí)材料的沖擊壓縮方程；羅普光等[78]對(duì)新型鋯基非晶含能材料在動(dòng)態(tài)加載條件下的力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究。

從細(xì)觀尺度建立含能材料動(dòng)力學(xué)仿真模型方面，研究人員分析了含能材料的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，闡明其沖擊反應(yīng)機(jī)制，基于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)或材料顆粒初始形態(tài)建立了含能材料沖擊響應(yīng)模型，對(duì)沖擊壓縮下金屬顆粒材料間的碰撞、孔隙壓垮、接觸面變化及溫度分布等規(guī)律進(jìn)行了研究。Williamson[79]將不銹鋼材料簡(jiǎn)化為細(xì)觀尺度上由均勻、等粒徑顆粒構(gòu)成，生成了相應(yīng)細(xì)觀數(shù)值模型，為后續(xù)細(xì)觀模擬研究奠定了基礎(chǔ)。Benson 等[80-81]、Austin 等[82-84]、喬良等[85]和Qiao 等[86]隨后改進(jìn)了該類細(xì)觀模型的建立方法，結(jié)合材料中顆粒細(xì)觀分布特性，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并利用隨機(jī)數(shù)生成方法、模擬退火算法等方法生成了滿足細(xì)觀分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的模型。此外，Eakins 等[87-88]通過SEM 得到了Al/Ni 含能材料的細(xì)觀照片，并以此建立了細(xì)觀尺度數(shù)值模型，研究了材料顆粒形狀和密實(shí)度等細(xì)觀特性對(duì)Al/Ni 類含能材料沖擊響應(yīng)行為的影響規(guī)律，同時(shí)確定了狀態(tài)方程參數(shù)。這種從細(xì)觀照片出發(fā)建立模型的方案，為宏觀材料性能變化研究提供了有效支撐。隨后，Reeves 等[89]研究了熱和沖擊反應(yīng)引發(fā)的Al/Ni 非均相反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Al/Ni 類含能材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)（顆粒尺寸、形狀以及顆粒分布等）對(duì)其力學(xué)行為及沖擊反應(yīng)特性的影響十分顯著。Aydelotte 等[90]基于真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)觀模擬，研究了純Ni、Ta、W 粉末與Al 粉在爆炸加載過程中發(fā)生沖擊反應(yīng)的影響機(jī)理，揭示了相似沖擊條件下Al/Ni、Al/Ta 和Al/W 含能材料在爆炸壓實(shí)過程中變形行為的差異；模擬結(jié)果表明，在Al/Ni 和Al/W 體系中，沖擊誘導(dǎo)的變形主要集中在Al 組分中，而在Al/Ta 體系中Ta 和Al 等2 種組分的塑性變形顯著，使Al/Ta 成為一個(gè)反應(yīng)性更強(qiáng)的體系。熊瑋等[91]結(jié)合SEM 圖像分析了3 種典型Al/Ni 類含能材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，研究了材料配比、制備工藝對(duì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并從細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片和細(xì)觀顆粒初始形態(tài)入手，分別建立了Al/Ni 類含能材料沖擊壓縮細(xì)觀模型?；诩?xì)觀結(jié)構(gòu)建模的研究結(jié)果表明，沖擊壓縮作用下材料內(nèi)部主要發(fā)生了顆粒變形和體積壓縮2 個(gè)過程（見圖11[91]）?；诓牧铣跏夹螒B(tài)建模的研究結(jié)果表明：在沖擊加載條件下，初始顆粒形狀規(guī)則且尺寸均勻的Al 顆粒發(fā)生了變形；當(dāng)顆粒速度達(dá)到800 m/s 以上時(shí)，能夠明顯觀測(cè)到 Al 顆粒的大變形及顆粒間的融合現(xiàn)象（見圖12[91]）。通過上述數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，細(xì)觀尺度上由均勻、等粒徑顆粒構(gòu)成細(xì)觀數(shù)值模型的建立更方便快捷，而基于細(xì)觀照片生成細(xì)觀尺度數(shù)值模型更能體現(xiàn)材料細(xì)觀尺度上的實(shí)際分布特點(diǎn)。但是，這2 種建模方法對(duì)含能材料沖擊響應(yīng)細(xì)觀模擬結(jié)果的影響機(jī)制仍有待探索。

圖11 基于細(xì)觀模型不同粒子速度顆粒的變形情況[91]Fig.11 The deformation of particles at different particle velocities based on the mesoscale model[91]

圖12 基于均勻化細(xì)觀模型不同粒子速度顆粒的變形情況[91]Fig.12 The deformation of particles at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles[91]

可以看出，金屬型含能材料力學(xué)行為的理論與數(shù)值模擬研究有2 種思路：一種是基于J-C 本構(gòu)模型和一維彈脆性損傷本構(gòu)建立含能材料動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，通過材料性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬來確定模型中的各項(xiàng)參數(shù)，最終得到材料本構(gòu)模型；另一種是基于材料微觀結(jié)構(gòu)從細(xì)觀尺度上建立含能材料動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，研究動(dòng)力學(xué)加載下材料顆粒間的碰撞、孔隙壓垮、溫度等變化規(guī)律以及工藝參數(shù)、材料成分等細(xì)觀特性對(duì)金屬型含能材料動(dòng)力學(xué)行為的影響。上述研究為金屬型含能材料的工程應(yīng)用提供了有效的理論指導(dǎo)，然而無法準(zhǔn)確地反映金屬型含能材料在復(fù)雜條件下的動(dòng)力學(xué)行為。因此，理清宏觀與細(xì)觀之間的關(guān)系，發(fā)展并完善動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題，為推動(dòng)金屬型含能材料工程應(yīng)用提供理論支撐。

5 總結(jié)與展望

近年來，金屬型含能材料因強(qiáng)度高、密度大等優(yōu)異特性，在工程中尤其在武器裝備中具有巨大的應(yīng)用前景，其中材料在動(dòng)載荷作用下的力學(xué)性能一直是破片戰(zhàn)斗部、聚能戰(zhàn)斗部等軍事領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，研究人員通過多種工藝技術(shù)和材料配方篩選制備出了性能優(yōu)異的金屬型含能材料，建立了多種力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，研究了應(yīng)變率、工藝參數(shù)、微觀性能以及材料成分等對(duì)力學(xué)性能的影響，同時(shí)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且基于材料J-C 模型及數(shù)值模擬給出了相應(yīng)材料的力學(xué)參數(shù)，得到了材料動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，為金屬型含能材料在武器裝備中的廣泛應(yīng)用提供了支撐。雖然對(duì)金屬型含能材料的力學(xué)性能已經(jīng)開展了大量研究，但是目前仍然存在一些問題需進(jìn)一步探討。通過上述相關(guān)文獻(xiàn)的查閱、整理、分析與思考，得到的主要結(jié)論和展望如下。

(1)金屬型含能材料的制備工藝較多，但每種工藝均有自己的局限性。因此，針對(duì)不同性能的樣品應(yīng)選擇合適的制備工藝，如熱等靜壓法適用于塊體材料，爆炸粉末燒結(jié)法適用于小尺寸樣品，同時(shí)開發(fā)先進(jìn)的制備技術(shù)，對(duì)提高金屬型含能材料的力學(xué)性能尤為關(guān)鍵。

(2)金屬型含能材料的力學(xué)性能決定其工程應(yīng)用價(jià)值，目前研究者主要聚焦于應(yīng)變率、工藝參數(shù)以及微觀性能等對(duì)力學(xué)性能的影響，但是缺乏除應(yīng)變率之外其他環(huán)境條件（如溫度、磁場(chǎng)等）以及其他關(guān)鍵工藝參數(shù)（壓制壓力等）對(duì)力學(xué)性能影響的研究報(bào)道。

(3)金屬型含能材料的微觀行為分析為宏觀力學(xué)行為研究提供了可靠支撐，目前研究者主要對(duì)實(shí)驗(yàn)前后材料的2 種微觀行為進(jìn)行對(duì)比分析，而對(duì)材料微觀行為在時(shí)間和空間上連續(xù)的變化過程缺乏有效的研究。因此，研究材料微觀行為在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，以及探討如何將細(xì)觀機(jī)制和宏觀行為有效關(guān)聯(lián)起來，具有重要價(jià)值。

(4)目前，針對(duì)金屬型含能材料動(dòng)力學(xué)理論研究主要是基于J-C 本構(gòu)模型，結(jié)合材料性能實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬來確定模型參數(shù)，這種方法簡(jiǎn)單方便，但不能準(zhǔn)確反映材料的動(dòng)力學(xué)行為，并且缺乏能夠準(zhǔn)確反映材料在熱、力、率等復(fù)雜條件下的力學(xué)理論模型。因此，基于現(xiàn)有模型發(fā)展并完善本構(gòu)模型是當(dāng)前研究關(guān)注的焦點(diǎn)。