丁 建，朱順官

（南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

含能結(jié)構(gòu)材料（energetic structural materials，ESMs）又被稱為活性材料或反應(yīng)材料（reactive materials，RMs）。該類材料同時(shí)擁有高能炸藥的化學(xué)能、金屬的力學(xué)強(qiáng)度以及惰性材料的安全性，具有常態(tài)惰性鈍感，但在高速碰撞或沖擊載荷作用下發(fā)生燃燒甚至爆炸，釋放大量能量的特性［1-2］。根據(jù)組分的不同，目前常見的活性材料體系包括：金屬/聚合物型混合物、金屬/氧化物型混合物、金屬/金屬型混合物等。其中，氟聚物基活性材料是以高氟含量（70%）的氟聚物為基體，活性金屬或金屬氧化物等為填料并經(jīng)過特定的工藝制備而成，是含能結(jié)構(gòu)材料極為重要的一個(gè)分支［3］。

氟聚物基活性材料由于其獨(dú)特的性能和廣泛的軍事應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外武器彈藥研究機(jī)構(gòu)的高度重視，是當(dāng)前高效毀傷領(lǐng)域發(fā)展最活躍、最重要的前沿研究方向之一。例如，隨著“不敏感彈藥”概念的提出，低易損性的不敏感炸藥廣泛應(yīng)用于先進(jìn)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，導(dǎo)致常規(guī)的惰性破片更加難以擊爆來襲目標(biāo)。用含能結(jié)構(gòu)材料替代常規(guī)彈藥中的部分惰性毀傷元［4］，作為破片、彈丸、射流等被設(shè)計(jì)到彈藥中時(shí)，不僅能提供與惰性材料類似的動(dòng)能侵徹，還能在穿透后反應(yīng)釋放化學(xué)能，造成破片、沖擊波、高溫以及電子元件的碳短路等綜合后效毀傷，具有更大的終點(diǎn)毀傷威力以及縱火、起爆能力，達(dá)到一擊必毀的效果。2004 年，美海軍研究署［5］（Office of Naval Research，ONR）試驗(yàn)表明反應(yīng)破片對(duì)導(dǎo)彈彈體和電路元件都有毀滅性的破壞，其威力半徑是普通破片戰(zhàn)斗部的兩倍，并斷定其潛在的殺傷威力相對(duì)普通破片戰(zhàn)斗部可提高500%左右。

為掌握氟聚物基活性材料的反應(yīng)機(jī)理和釋能、毀傷特性，本研究對(duì)氟聚物基活性材料的釋能特性和毀傷效應(yīng)兩大方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，著重介紹了近年來主要的實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)、數(shù)值仿真方法及毀傷評(píng)估方法的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來研究工作的重點(diǎn)提出展望，為氟聚物基活性材料在高效毀傷戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用研究提供借鑒。

1 釋能特性

相對(duì)于惰性材料，活性材料的優(yōu)勢(shì)是其在高速碰撞和侵徹過程中能發(fā)生的類爆轟釋能反應(yīng)，達(dá)到增強(qiáng)終點(diǎn)毀傷威力的目的，是增強(qiáng)戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)的重要途徑?；钚圆牧蠜_擊釋能反應(yīng)激活的加載方式主要有高速碰撞沖擊和炸藥爆炸沖擊波兩種，其釋能特性主要包括反應(yīng)激活閾值、釋能效率、反應(yīng)度和持續(xù)時(shí)間等內(nèi)容，掌握其釋能特性是增強(qiáng)毀傷性能的關(guān)鍵，具有重要的研究意義?；钚圆牧系臎_擊釋能行為同樣具有高速、高溫、高壓的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)成本較高、難度較大，因此數(shù)值仿真及仿真方法的探究也是必不可少的研究?jī)?nèi)容。

1.1 沖擊釋能特性

分離式霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)是氟聚物基活性材料釋能特性研究最主要的兩種實(shí)方法，配合高速攝影、速度、溫度和壓力等測(cè)試技術(shù)可獲得釋能反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。近年來，落錘、飛片撞擊等實(shí)驗(yàn)方法在該方面的研究也有報(bào)道。

SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以測(cè)量材料在沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，已廣泛應(yīng)用于研究各種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和破壞機(jī)理，結(jié)合高速攝影和理論分析等方法也可探究活性材料在動(dòng)態(tài)載荷下的反應(yīng)釋能行為。近年來，研究者針對(duì)不同的活性材料開展了一系列的SHPB 實(shí)驗(yàn)研究，其中活性材料試件的差異主要包括Al 粒徑、制備工藝、成分配方等方面［6-11］。

胡榕等［6］采用模壓燒結(jié)成型法制備了4 種Al 粒徑（50nm，10 μm，70 μm 和200 μm）的聚四氟乙烯/鋁（PTFE/Al）（質(zhì)量配比50/50）活性材料試件進(jìn)行SHPB實(shí)驗(yàn)研究，將高速攝影結(jié)果轉(zhuǎn)換為灰度圖后分析得到：可通過調(diào)節(jié)Al 粒徑來調(diào)節(jié)其沖擊反應(yīng)性能，隨著Al 粒徑的增大，活性材料的反應(yīng)延遲時(shí)間逐漸增加，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間、反應(yīng)激烈程度和能量釋放不斷降低，并且納米Al 粒徑材料的能量釋放遠(yuǎn)高于微米Al 粒徑材料。聶政元等［7］采用溶劑蒸發(fā)-熱壓燒結(jié)法制備了不同配比的鉿/四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物（Hf/THV）試件，研究了Hf/THV 活性材料的力學(xué)性能與點(diǎn)火反應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)Hf/THV 在動(dòng)態(tài)加載下發(fā)生瞬間斷裂，導(dǎo)致斷裂處溫度急劇升高，形成熱點(diǎn)并引發(fā)點(diǎn)火反應(yīng)；并且THV 的應(yīng)變軟化影響Hf/THV 的力學(xué)性能和失效模式，進(jìn)而影響材料的點(diǎn)火反應(yīng)；相對(duì)于PTFE/Al，Hf/THV 沖擊反應(yīng)速度閾值較低，且Hf 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%，62%，88%）越高，Hf/THV 的沖擊反應(yīng)速度閾值越低。蔡尚曄等［8］研究了孔隙度對(duì)富鋁PTFE/Al 含能材料沖擊溫升效應(yīng)的影響，采用考慮熔化效應(yīng)的一維粘塑性孔洞塌縮模型，對(duì)該材料的沖擊溫升進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明，在壓縮過程中，材料內(nèi)部溫度升高主要受孔洞內(nèi)徑變化速度和屈服強(qiáng)度的影響，且相比孔隙度為20%和30%的富鋁PTFE/Al 活性材料，孔隙度為10%的活性材料溫度升高最高。Wu 等［9］將MgH2摻雜到PTFE/Al 中，采用模壓燒結(jié)法制備了5 種不同MgH2含量的活性材料，通過SHPB 實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡表征研究了材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。結(jié)果表明，含量小于10%的MgH2顆粒有助于提高活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，PTFE/Al/MgH2活性材料的反應(yīng)能和點(diǎn)火閾值隨MgH2含量的增加而單調(diào)增加；隨著MgH2含量從0%增加到20%，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，且反應(yīng)強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。頊向春等［10］在PTFE/Al 中引入了Fe 粒子，準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)（SHPB）結(jié)果表明，應(yīng)變速率為5000 s-1時(shí)，F(xiàn)e 含量為30%的PTFE/Al 壓縮強(qiáng)度比不含F(xiàn)e 時(shí)提高了39%，并使用Johnson-Cook 本構(gòu)模型進(jìn)行擬合；同時(shí)采用改進(jìn)的落錘實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)材料感度進(jìn)行了定性表征。Tang 等［11］在傳統(tǒng)配方PTFE/Al 的基礎(chǔ)上，采用冷壓和快速冷卻工藝制備了增強(qiáng)PTFE/Al 活性材料試樣，通過SHPB 實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣的最大動(dòng)態(tài)失效強(qiáng)度為126 MPa，且應(yīng)變率在1500～3000 s-1范圍內(nèi)時(shí)，試樣表現(xiàn)出應(yīng)變率硬化現(xiàn)象和粘彈性效應(yīng)。綜上，SHPB和落錘等實(shí)驗(yàn)主要研究活性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和沖擊響應(yīng)行為，在釋能反應(yīng)方面，可分析得出一些定性結(jié)論，但難以定量表征活性材料在沖擊過程中的反應(yīng)行為。

準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)（通氣室量熱法）是由Ames 率先系統(tǒng)性提出的活性材料沖擊釋量特性評(píng)估方法［12］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，裝置主體為一個(gè)密閉的腔室，其中迎彈丸一側(cè)為金屬薄靶板，且在腔室內(nèi)部有一較厚的硬質(zhì)砧板?；钚圆牧蠌椡柰ㄟ^彈道槍發(fā)射，并以一定的速度穿透金屬薄靶板并撞擊到硬質(zhì)砧板上。彈丸在撞擊破碎的過程中發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，隨后彈丸破片飛散，在腔室中形成持續(xù)反應(yīng)的碎片群，使腔室內(nèi)的空氣迅速升溫膨脹。通過測(cè)量腔室內(nèi)的超壓、溫度等時(shí)程曲線，可以測(cè)算活性材料沖擊釋能行為所產(chǎn)生的能量以及反應(yīng)效率、反應(yīng)度等數(shù)據(jù)，配合高速攝影等可以進(jìn)行全面的沖擊釋能特性研究。

圖1 準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［17］Fig.1 Schematic diagram of the quasi-closed ballistic experimental device［17］

Zhang 等［13］通過準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)得到?jīng)_擊速度對(duì)活性材料的能量釋放特性有重要作用，PTFE/Al 的沖擊釋能臨界速度約為500 m·s-1，并通過理論計(jì)算驗(yàn)證了一個(gè)連接沖擊速度和反應(yīng)效率的均勻熱化學(xué)模型。鄭雄偉等［14］通過準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)研究了沖擊速度對(duì)活性材料能量釋放特性的影響，結(jié)果表明：沖擊速度較?。?00～1200 m·s-1）時(shí)沖擊波壓力與沖擊速度呈正比關(guān)系；當(dāng)沖擊速度在1200 m·s-1以上時(shí)，活性材料能量能夠完全釋放。周杰等［15］制備了不同W 含量、Al顆粒粒徑和PTFE 基體粒徑的PTFE/Al/W 活性材料并開展了準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)于燒結(jié)的活性材料試件，W 的含量變化對(duì)屈服強(qiáng)度的影響不大，而對(duì)于未燒結(jié)的活性材料，當(dāng)W 含量為30%和65%時(shí)，活性材料的失效強(qiáng)度相對(duì)于不含W 時(shí)分別提高了24.3%和67.2%。此外，減小Al 顆粒的尺寸可達(dá)到增大反應(yīng)速率和反應(yīng)自持時(shí)間的目的；活性材料在靶后的釋能持續(xù)時(shí)間主要受材料失效強(qiáng)度和沖擊速度共同影響；材料的失效強(qiáng)度同時(shí)影響活性材料沖擊反應(yīng)初始?jí)毫?。Feng 等［16］用Al、Mg、Ti 和PTFE 制備了不同配方的活性材料，通過準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)得到，當(dāng)活性材料以1050～1450 m·s-1的速度沖擊在鋁板上時(shí)，沿沖擊方向形成了反向反應(yīng)區(qū)和隨后反應(yīng)區(qū)，大部分能量釋放發(fā)生在隨后反應(yīng)區(qū)（由沖擊分解反應(yīng)區(qū)、熱分解反應(yīng)區(qū)和燃燒反應(yīng)區(qū)組成）。測(cè)試發(fā)現(xiàn)PTFE/Ti 對(duì)沖擊速度最敏感，但能量釋放率最低；PTFE/Mg 沖擊反應(yīng)產(chǎn)生的能量釋放主要來自于燃燒反應(yīng)，但PTFE/Al 的高能釋放主要來自于爆燃反應(yīng)。Zheng 等［17］基于一維沖擊波關(guān)系，推導(dǎo)出了反應(yīng)碎片與目標(biāo)相互作用的完全爆燃基本條件，并根據(jù)活性材料碎片的準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到了活性材料的臨界爆燃?jí)毫Α＝Y(jié)果表明了斷裂行為對(duì)爆燃的重要性和必要性，爆燃行為取決于沖擊速度、活性材料碎片的幾何形狀、目標(biāo)材料和厚度等。對(duì)于目標(biāo)后斷裂反應(yīng)物質(zhì)的爆燃，根據(jù)Grady 能量模型得到了反應(yīng)物質(zhì)碎片的臨界爆燃尺寸。Yuan 等［18］在PTFE/Al 活性材料中添加氧化物（Bi2O3、CuO、MoO3、Fe2O3）來控制沖擊誘導(dǎo)的能量釋放特性。準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)沖擊速度為735 m·s-1時(shí)，PTFE/Al/MoO3的準(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值（0.1190 MPa）是PTFE/Al 的1.99 倍。在此基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)解析模型，表明氧化物通過影響活性材料的表觀活化能和沖擊壓力來控制能量釋放特性；氧化物還提高了活性材料在沖擊波卸載后的持續(xù)反應(yīng)能力。Tang 等［11］改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，在真空條件下獲得了活性材料在不同沖擊速度下的實(shí)時(shí)能量釋放量，結(jié)果如圖2所示：PTFE/Al 活性材料的化學(xué)反應(yīng)以波的形式進(jìn)行，在壓縮波的作用下，化學(xué)反應(yīng)速率增加；t=1.25 ms 時(shí)，活性材料的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到70%，t=2.28 ms 時(shí)反應(yīng)完全，其早期的化學(xué)反應(yīng)速率比后期快得多；當(dāng)沖擊速度為2.30 km·s-1和2.54 km·s-1時(shí)活性材料完全反應(yīng)，釋放的能量分別為8.36 kJ·g-1和8.38 kJ·g-1。對(duì)于增強(qiáng)型PTFE/Al 活性材料，其完全反應(yīng)的臨界沖擊速度在1.94～2.30 km·s-1之間。綜上，準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)解決了沖擊釋能結(jié)果的定量表征難題，可測(cè)算活性材料沖擊釋能反應(yīng)的釋能量、釋能效率等特性參數(shù)，推動(dòng)了活性材料釋能特性和反應(yīng)機(jī)理的研究進(jìn)程。相較于SHPB 實(shí)驗(yàn)，雖然準(zhǔn)密閉彈道實(shí)驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，但更適合沖擊釋能特性的研究。

圖2 反應(yīng)與釋能實(shí)驗(yàn)結(jié)果［11］Fig.2 Results of the reaction and energy release experiments［11］

除上述實(shí)驗(yàn)方法外，學(xué)者們還開展了許多其他關(guān)于沖擊釋能反應(yīng)的研究。Xu 等［19］進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和彈道沖擊實(shí)驗(yàn)來深入了解PTFE/Al/W 活性材料在不同載荷下的響應(yīng)行為。結(jié)果表明，活性材料的響應(yīng)性能受到加載應(yīng)變率的顯著影響。當(dāng)應(yīng)變率小于3.6×103s-1時(shí)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中只觀察到機(jī)械響應(yīng)；但當(dāng)應(yīng)變率高于4×104s-1時(shí)，在彈道沖擊實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)。Jiang 等［20］為了獲得Bi2O3顆粒含量對(duì)活性材料沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)特性的影響，制備了5 種不同Bi2O3含量（0%，5%，9%，13% 和18%）的PTFE/Al/Bi2O3活性材料進(jìn)行落錘實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，Bi2O3的加入降低了反應(yīng)性材料的激發(fā)閾值，提高反應(yīng)的完全程度和反應(yīng)性材料的總能量釋放；隨著Bi2O3含量的增加，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間和活性材料感度先增加后降低，當(dāng)Bi2O3含量為9%時(shí)沖擊感度最高且反應(yīng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。Yang 等［21］采用圖3 所示的飛片撞擊實(shí)驗(yàn)，利用Hugoniot 數(shù)據(jù)研究了PTFE/Al 活性材料的沖擊壓縮反應(yīng)機(jī)理。基于顯微CT 獲得的圖像建立了三維有限元模型，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在高沖擊壓力下PTFE 基質(zhì)被加熱到比Al 微粒更高的溫度，并將在較高的沖擊速度下熔化；認(rèn)為其沖擊壓縮反應(yīng)是一種“沖擊輔助”機(jī)制，反應(yīng)主要發(fā)生在激波鋒面之后，并由熱控制的反應(yīng)機(jī)制驅(qū)動(dòng)，這更像是一種燃燒，而不是一種爆轟。

圖3 飛片撞擊實(shí)驗(yàn)示意圖［21］Fig.3 Schematic diagram of flyer impact experiment［21］

氟聚物基活性材料性能的掌握與調(diào)控是實(shí)現(xiàn)其在高效毀傷戰(zhàn)斗部中應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容?？偨Y(jié)以上研究成果，影響氟聚物基活性材料的沖擊釋能特性的因素主要有原料顆粒粒徑、模壓燒結(jié)工藝、原材料種類和配比以及添加劑種類和含量等。改變以上一個(gè)或多個(gè)因素，可在一定范圍調(diào)整活性材料的力學(xué)性能以及反應(yīng)延遲時(shí)間、反應(yīng)感度、反應(yīng)速度和釋能量等釋能特性。目前，引入添加劑是調(diào)整活性材料性能最主要的方法，比如：引入W、Cu 等惰性金屬可提高活性材料的力學(xué)強(qiáng)度，增強(qiáng)其侵徹能力，同時(shí)也會(huì)使其更鈍感，影響其釋能特性；引入活性添加劑（MgH2、Bi2O3、MoO3）可調(diào)整活性材料的反應(yīng)閾值和釋能效率。由于目前獲得的多為寬泛的定性結(jié)論，難以實(shí)現(xiàn)釋能特性的精準(zhǔn)調(diào)控，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。因此氟聚物基活性材料沖擊釋能特性的研究，如原材料與新配方的探索，仍是未來研究的重要內(nèi)容之一。

1.2 爆炸載荷下的釋能特性

除高速碰撞外，氟聚物基活性材料在炸藥的爆炸沖擊載荷作用下也會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。爆炸載荷實(shí)驗(yàn)將炸藥的爆轟直接或間接地作用于活性材料，實(shí)驗(yàn)難度較大，目前沒有較成熟的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要研究者根據(jù)研究目的自行設(shè)計(jì)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

任耶平等［22］設(shè)計(jì)了拉氏實(shí)驗(yàn)研究PTFE/Al 活性材料在爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)特性，應(yīng)用錳銅壓阻計(jì)測(cè)量了沖擊波在材料中傳播的壓力演化過程。同時(shí)，基于Autodyn 有限元數(shù)值模擬，應(yīng)用Lee-Tarver 三項(xiàng)式點(diǎn)火模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了沖擊波在500 mm 厚PTFE/Al 活性材料的長(zhǎng)距離傳播行為。研究結(jié)果表明，沖擊波壓力在活性材料短距離傳播過程中存在明顯的衰減，但是，當(dāng)沖擊波傳播到遠(yuǎn)距離時(shí)，沖擊波壓力幅值和沖擊波速度趨于穩(wěn)定，分別為1.30 GPa和2180 m·s-1。材料中反應(yīng)度隨著距離增長(zhǎng)不斷降低，最終趨于0.17，材料的反應(yīng)釋能導(dǎo)致了沖擊波壓力傳播過程最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。王在成等［23］利用炸藥透鏡產(chǎn)生平面波加載PTFE/Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)各為50%）活性材料的方法，研究了在爆炸沖擊加載下活性材料的壓縮特性及反應(yīng)行為。通過錳銅壓阻傳感器測(cè)量被加載活性材料內(nèi)不同位置處的壓力-時(shí)間關(guān)系，得到材料Hugoniot 曲線、Murnagham 等熵方程與格林尼森狀態(tài)方程。結(jié)果表明，PTFE/Al 活性材料的沖擊反應(yīng)有延遲現(xiàn)象，反應(yīng)延遲時(shí)間在1.0～2.6 μs 之間，爆炸沖擊載荷引發(fā)材料反應(yīng)的最小壓力在11.93～17.98 GPa之間。上述實(shí)驗(yàn)均記錄了沖擊波在材料中的傳播過程和壓力演化過程。對(duì)于超高動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量，一般采用錳銅壓阻計(jì)和高速同步脈沖恒流源來完成，該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)要求較高，可實(shí)現(xiàn)在極短（微秒級(jí)）的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)錳銅計(jì)的供電與數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)前需要精心設(shè)計(jì)相關(guān)裝置。

Saikov 等［24］研究了不同Al 含量（5%，10%，20%和30%）的PTFE/Al/W 活性材料的燃燒和沖擊響應(yīng)特性。通過燃速和點(diǎn)火溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)定了Al 含量對(duì)活性材料燃燒放熱特性的影響，并在不同氛圍（空氣、氬氣、真空）下測(cè)量了點(diǎn)火溫度和燃燒速率，發(fā)現(xiàn)真空的低壓環(huán)境下燃燒前沿?zé)崃苛魇л^大，從而降低了燃燒速率。通過圖4 所示的沖擊波實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同Al含量活性材料的沖擊反應(yīng)特性。鋁含量為10% 和20%的活性材料在燃燒和沖擊波引發(fā)后的反應(yīng)劇烈程度和完全程度較高。

圖4 沖擊波實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［24］Fig.4 Schematic of shock-wave experiments［24］

李凌峰等［25］采用JO-8 及DHL（DNTF 基熔鑄炸藥）兩種高爆速炸藥對(duì)PTFE/Al 活性材料進(jìn)行了端面及對(duì)碰爆轟加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。通過轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)記錄了炸藥爆轟波及活性材料激發(fā)的響應(yīng)跡線，并分析了2 種爆轟加載方式下活性材料內(nèi)的沖擊波壓力值。結(jié)果表明，端面爆轟加載下，活性材料在初始高壓約為33.59 GPa 的入射沖擊波作用下發(fā)生劇烈反應(yīng)，但由于沖擊波的衰減導(dǎo)致反應(yīng)速率迅速降低而無法自持；對(duì)碰爆轟加載下，活性材料受到持續(xù)高壓作用，沖擊波在活性材料的中心處發(fā)生匯聚疊加，形成的高壓集中區(qū)內(nèi)發(fā)生了“類爆轟反應(yīng)”，反應(yīng)速率達(dá)到4000 m·s-1。同軸組合裝藥結(jié)構(gòu)能夠顯著提升其反應(yīng)速率，避免反應(yīng)無法自持的問題。

圖5 端面/對(duì)碰爆轟加載實(shí)驗(yàn)裝置［25］Fig.5 Device and layout of the end surface/head-on collision detonation loading test［25］

與碰撞沖擊相比，爆炸載荷的沖擊強(qiáng)度更大并伴隨爆轟產(chǎn)物的作用。綜上，氟聚物基活性材料在爆炸載荷下的釋能特性受入射沖擊波強(qiáng)度、作用面積和作用時(shí)間等影響顯著，同時(shí)也與爆轟產(chǎn)物作用方式有關(guān)。活性材料在爆炸載荷下的釋能特性研究能夠?yàn)榉磻?yīng)射流等爆炸直接驅(qū)動(dòng)型毀傷元的研究提供重要的依據(jù)，但目前該研究方向的報(bào)道并不多。

1.3 模型參數(shù)及數(shù)值仿真研究

可靠的數(shù)值仿真方法有著實(shí)驗(yàn)無法替代的作用，尤其在戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)及優(yōu)化環(huán)節(jié)，具有過程可視化和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄等優(yōu)勢(shì)，并且可以節(jié)約大量成本與時(shí)間。材料的模型參數(shù)是數(shù)值仿真結(jié)果是否可靠的關(guān)鍵，而活性材料獨(dú)特的沖擊反應(yīng)特性與傳統(tǒng)含能材料有顯著的區(qū)別。為此，必須獲得氟聚物基活性材料的強(qiáng)度模型、點(diǎn)火模型、狀態(tài)方程等參數(shù)，并探究準(zhǔn)確有效的數(shù)值模擬研究方法。

Raftenberg 等［26］通過實(shí)驗(yàn)確定了Johnson-Cook模型的參數(shù)，并使用Johnson-Cook 和PSDam 兩種不同的強(qiáng)度模型對(duì)PTFE/Al 壓制活性材料棒的沖擊進(jìn)行了有限元模擬，并將模擬結(jié)果與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比以評(píng)估強(qiáng)度模型的準(zhǔn)確性。Xiao 等［27］對(duì)傳統(tǒng)的SHPB測(cè)試進(jìn)行了改進(jìn)，在圓柱形活性材料試樣的底面添加兩個(gè)PVDF 壓電傳感器，可以直接得到實(shí)時(shí)的應(yīng)力波速，并且發(fā)射桿中的應(yīng)變計(jì)記錄了粒子速度。最后通過直接線性擬合的方法，得到了狀態(tài)方程（EOS）中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（彈性波速C0和斜率S）。Xiao 等［28］通過引入可調(diào)點(diǎn)火閾值條件，發(fā)展了一種活性材料彈丸撞擊誘導(dǎo)爆燃行為的模擬方法，并通過對(duì)狀態(tài)方程（EOS）的二次開發(fā)形成了用戶自定義子程序。該子程序能夠很好地模擬撞擊條件下活性材料彈丸的點(diǎn)火和爆燃行為，因?yàn)榉磻?yīng)碎片的反應(yīng)速率、形貌和溫度分布都與實(shí)驗(yàn)、理論和其他研究數(shù)據(jù)有很好的一致性。武強(qiáng)等［29］采用Autodyn 動(dòng)力學(xué)仿真程序，基于改進(jìn)的Lee-Tarver點(diǎn)火增長(zhǎng)模型，對(duì)球形彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的過程開展數(shù)值模擬研究。研究給出了彈丸臨界破碎速度公式，得到彈丸直徑、撞擊速度和活性材料防護(hù)屏板厚度對(duì)碎片云特征參數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)一步揭示了含能活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)在超高速撞擊條件下的新型防護(hù)機(jī)理。Lu 等［30］提出了一種由沖擊引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)模型來描述PTFE/Al 活性材料的點(diǎn)火和能量釋放行為。根據(jù)孔隙坍塌的熱點(diǎn)形成機(jī)理以及聚四氟乙烯的分解過程（如圖6），以材料破碎和聚四氟乙烯分解作為點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)氣固化學(xué)反應(yīng)模型計(jì)算了分解產(chǎn)物與鋁的反應(yīng)速率。發(fā)現(xiàn)材料完全反應(yīng)需要滿足足夠的加載強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，得到典型的完全反應(yīng)和部分反應(yīng)的粒子反應(yīng)量曲線如圖7 所示。

圖6 典型沖擊點(diǎn)火和化學(xué)反應(yīng)過程［30］Fig.6 Typical impact ignition and chemical reaction process［30］

圖7 兩種典型反應(yīng)粒子的反應(yīng)成分分布圖［30］Fig.7 Reaction content profiles of two typical kinds of reacting particles［30］

此外，基于鋁顆粒尺寸與分布的中尺度模型的開發(fā)從另一個(gè)角度揭示了PTFE/Al 活性材料的沖擊起爆行為。Tang 等［31］采用細(xì)觀模擬和爆炸加載實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了PTFE/Al 活性材料的沖擊響應(yīng)和沖擊起爆行為。如圖8 所示，研究開發(fā)并驗(yàn)證了遵循真實(shí)鋁顆粒尺寸隨機(jī)分布的二維模型，用于研究Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沖擊特性的影響以及Hugoniot 關(guān)系。結(jié)果表明，爆炸加載下沿顆粒/基體界面顯示出更大的熱和更大的應(yīng)變，使得摩擦耗散成為熱點(diǎn)形成的主要機(jī)制。研究同時(shí)分析了Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱點(diǎn)分布的影響，計(jì)算了反應(yīng)范圍和相應(yīng)的溫度閾值，并通過對(duì)熱點(diǎn)分布的定量分析揭示了引發(fā)過程的隨機(jī)性。隨后，Tang 等［32］運(yùn)用所開發(fā)的二維中尺度模型，繼續(xù)研究了功能梯度PTFE/Al 活性材料的沖擊波響應(yīng)，通過對(duì)不同密度梯度活性材料的仿真，可在晶粒水平上觀察到壓力、溫度和應(yīng)變響應(yīng)之間的顯著差異。結(jié)果表明，較高的壓力集中在沖擊波前沿，并隨著時(shí)間的推移而減??；與均勻活性材料相比，密度梯度減小的活性材料在沖擊波傳播中具有較高的初始速度，而密度梯度增大的樣品具有優(yōu)越的沖擊波衰減能力，且熱點(diǎn)濃度水平更高。

圖8 Al 顆粒隨機(jī)分布二維模型［31］Fig.8 2-D model of random distribution of Al particles［31］

作為一類特殊的含能材料，活性材料體系龐大并且沖擊化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜，由沖擊載荷引起的活性材料的化學(xué)反應(yīng)可分為2 類［33］：1）“沖擊誘發(fā)”（shock-induced）化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)材料仍然在高壓下被壓縮時(shí)發(fā)生的快速反應(yīng)（幾納秒到幾十微秒）；2）“沖擊輔助”（shock-assistant）化學(xué)反應(yīng)，在從高壓狀態(tài)卸載后較長(zhǎng)時(shí)間（幾十微秒到幾毫秒）才發(fā)生的緩慢反應(yīng)。前者由沖擊波脈沖引發(fā)，反應(yīng)在沖擊脈沖內(nèi)開始，反應(yīng)產(chǎn)物緊接在沖擊波陣面之后或之后不久處形成；后者是材料的微觀結(jié)構(gòu)被擾亂和沖擊產(chǎn)生的殘余溫度升高的結(jié)果，這類反應(yīng)原子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)，通常在材料已經(jīng)松弛且壓力衰減之后發(fā)生。

氟聚物基活性材料釋能特性的影響因素眾多，總結(jié)上述研究成果，目前的數(shù)值仿真研究多為針對(duì)某一種活性材料，而缺少系統(tǒng)的反應(yīng)模型與仿真方法；當(dāng)前仿真方法的可靠性也需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。期望開發(fā)一種可根據(jù)釋能參數(shù)便捷調(diào)整材料參數(shù)的系統(tǒng)性仿真方法，這需要大量釋能特性研究的數(shù)據(jù)作為支撐，同時(shí)不斷完善活性材料的參數(shù)體系。

2 毀傷效應(yīng)

探究活性材料毀傷元的引燃引爆能力、內(nèi)爆擴(kuò)孔效應(yīng)和后效毀傷效應(yīng)等終點(diǎn)毀傷性能，是推進(jìn)活性材料在各類高效毀傷彈藥中應(yīng)用的重點(diǎn)。氟聚物基活性材料通常以彈丸、破片或藥型罩的形式應(yīng)用于戰(zhàn)斗部，可用活性材料替換全部或部分傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部中的惰性毀傷元，以增強(qiáng)戰(zhàn)斗部毀傷能力。因此，評(píng)價(jià)活性材料毀傷元不同毀傷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法至關(guān)重要。

2.1 反應(yīng)彈丸、破片

反應(yīng)彈丸和破片的密度一般不高，并且速度較小，因此侵徹能力不強(qiáng)，但其引燃引爆能力和內(nèi)爆效應(yīng)不容小覷，在攻擊燃料箱、引爆不敏感彈藥、導(dǎo)彈攔截等方面有特殊的毀傷效果。該方向研究?jī)?nèi)容主要是評(píng)估活性材料在高速撞擊不同目標(biāo)時(shí)的引燃引爆能力以及終點(diǎn)毀傷能力。

孟燕綱等［34］采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了活性材料增強(qiáng)侵徹膨脹彈（PELE）對(duì)金屬靶板的作用效應(yīng)，獲得了活性材料增強(qiáng)PELE 長(zhǎng)徑比、靶厚、著速對(duì)作用效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在800 m·s-1著速下，活性材料增強(qiáng)PELE 對(duì)10～15 mm 厚度范圍內(nèi)的鋼靶板毀傷效應(yīng)較好，更適合應(yīng)用于攔截高速來襲目標(biāo)。肖艷文等［35-36］采用彈道碰撞實(shí)驗(yàn)，分別研究了高密度的PTFE/Al/W 系活性材料彈丸撞擊鋁靶和油箱的毀傷效應(yīng)?；阡X靶彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合THOR 侵徹方程，得到活性彈丸正碰撞鋁靶的彈道極限速度半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；分析結(jié)果表明，隨著靶板厚度的增大，活性材料激活率和侵孔內(nèi)爆燃?jí)毫﹄S之提高，從而使得侵徹末端爆裂穿孔能力的顯著增強(qiáng)?；谟拖鋸椀缹?shí)驗(yàn)，分析了不同裝油量條件下碰撞位置和速度對(duì)油箱破裂和引燃行為的影響機(jī)理；分析表明，活性彈丸的侵爆耦合作用，顯著增強(qiáng)了對(duì)油箱的結(jié)構(gòu)破壞能力以及對(duì)燃油的引燃效應(yīng).。周杰等［37］在PTFE/Al 基礎(chǔ)上引入高密度惰性金屬粉末并制備了含能毀傷元，進(jìn)行了沖擊引爆模擬戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)。采用高速攝影技術(shù)和爆炸后空氣沖擊波超壓測(cè)試，考察了含能毀傷元不同速度下對(duì)B炸藥和PBX-9404 炸藥的引燃引爆能力，并進(jìn)行了TNT 當(dāng)量等效對(duì)比分析。李向榮等［38］利用數(shù)值仿真研究了不同碰撞速度下活性彈丸對(duì)多層靶的侵爆耦合毀傷效應(yīng)?；诙嘟M彈丸對(duì)20 mm RHA 迎彈靶和后效鋁靶碰撞的數(shù)值模擬研究表明，隨著碰撞速度的提高，活性彈丸在侵徹迎彈鋼靶時(shí)的激活率逐漸增大，活性彈丸內(nèi)部應(yīng)力值和軸向剩余速度也隨之增大；通過對(duì)結(jié)果的分析，構(gòu)建了活性彈丸碰撞速度與激活率的數(shù)學(xué)模型，揭示了碰撞速度對(duì)毀傷效應(yīng)的影響機(jī)理。Wang 等［39］采用彈道沖擊法進(jìn)行了一系列的沖擊燃料箱實(shí)驗(yàn)，比較分析了Bi2O3增強(qiáng)型PTFE/Al 活性材料（PAB）、金屬鋁和惰性金屬鋼的點(diǎn)火能力。結(jié)果表明，活性材料具有更優(yōu)異的點(diǎn)火能力，且在不同的沖擊速度下，活性材料對(duì)煤油表現(xiàn)出不同的點(diǎn)火模式：在低速條件下，煤油在逆反應(yīng)區(qū)被火焰直接點(diǎn)燃；而在高速條件下，點(diǎn)火熱源是高溫激活的反應(yīng)碎片。

因此，對(duì)于彈丸、破片類毀傷元，一般PTFE/Al 活性材料的強(qiáng)度就可以滿足侵徹能力的要求，但其對(duì)燃料、炸藥的引燃引爆能力，對(duì)機(jī)械、電子器件的破壞能力以及對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)都要優(yōu)于惰性毀傷元，可以顯著提升K 級(jí)毀傷（目標(biāo)完全喪失作戰(zhàn)能力、沒有維修價(jià)值）能力，在高效毀傷彈藥中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 反應(yīng)藥型罩

聚能裝藥技術(shù)是高效毀傷戰(zhàn)斗部中常用的技術(shù)之一，由于其出色的破甲能力以及不受發(fā)射平臺(tái)和發(fā)射能力限制的特點(diǎn)，在反坦克、反裝甲、反艦船和反硬目標(biāo)上的應(yīng)用最為廣泛。雖然惰性金屬射流具有極強(qiáng)的破甲能力，但毀傷后效較弱，單一的動(dòng)能毀傷模式不足以應(yīng)對(duì)各種戰(zhàn)場(chǎng)需求。反應(yīng)藥型罩所形成的反應(yīng)射流能對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生侵爆耦合毀傷效應(yīng)，這一新的毀傷機(jī)制可以有效提高聚能戰(zhàn)斗部的毀傷性能。目前的研究主要包括射流的成型，原材料的粒徑、配比及添加劑的影響，細(xì)觀模擬研究以及裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。

Wang 等［40］通過數(shù)值模擬和X 射線攝影技術(shù)，研究了PTFE/Al 反應(yīng)射流的形成過程。結(jié)果表明，活性材料藥型罩可以形成連續(xù)而直的射流。與銅藥型罩相比，反應(yīng)射流的形成時(shí)間較短，但較差的延展性使其容易斷裂失去穩(wěn)定性；在侵徹鋼目標(biāo)時(shí)，侵徹深度略有較低，但侵徹孔徑顯著增大。Xiao 等［41］通過實(shí)驗(yàn)研究了PTFE/Al 活性材料聚能射流對(duì)混凝土靶的毀傷增強(qiáng)。結(jié)果表明，反應(yīng)射流在目標(biāo)內(nèi)部發(fā)生了爆燃反應(yīng)，反應(yīng)釋能和氣體產(chǎn)物對(duì)目標(biāo)造成了強(qiáng)烈的破壞。對(duì)于多層混凝土靶，靶內(nèi)形成一個(gè)空腔，表面形成若干條裂縫，基于等熵膨脹和裂紋擴(kuò)展理論，提出了裂紋長(zhǎng)度的計(jì)算公式，得到了反應(yīng)射流質(zhì)量和反應(yīng)深度對(duì)裂紋效應(yīng)的影響。葉勝等［42］采用模壓燒結(jié)法制備了5 種不同Al粒徑（10 μm，30 μm，70 μm，200 μm，50 nm/70 μm）的PTFE/Al 活性藥型罩，并開展了相應(yīng)的雙層間隔靶靜爆實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：Al 粒徑從10 μm 增大到200 μm 時(shí)，活性射流對(duì)前端鋼靶的毀傷效果呈現(xiàn)變?nèi)醯内厔?shì)，對(duì)后效鋁靶的花瓣型破壞也明顯變?nèi)?，而采?0 nm/70 μm 級(jí)配Al 粒徑的PTFE/Al 活性射流對(duì)鋼靶的穿孔效果顯著提高。Su 等［43］結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了炸藥、藥型罩錐角和厚度等對(duì)PTFE/Al 反應(yīng)射流成型的影響?；贏utodyn 軟件，采用SPH 算法研究了反應(yīng)射流形成過程中的形態(tài)、密度、溫度和速度場(chǎng)的演化行為、分布規(guī)律和反應(yīng)特征。結(jié)果表明，反應(yīng)射流高溫區(qū)的分布主要集中在射流尖端和軸向，射流尖端先發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)射流具有明顯的膨脹效應(yīng)，并伴隨著整體密度的顯著降低。Lu 等［44］提出了一種跨尺度離散化方法研究PTFE/Al 活性材料聚能射流的形成過程。如圖9 所示，基于Autodyn-2D 平臺(tái)和歐拉求解器建立了二維有限元模型，全面分析了反應(yīng)射流形成過程，研究了Al 粒徑差異以及Al 顆粒不同的初始分布引起的射流粒子分布。結(jié)果表明：如圖10 所示，由于密度的差異，PTFE 基體在沖擊載荷下的加速度較大，成為射流的主要成分；由于較大的Al 顆粒加速能力較弱，主要集中在射流的中部和底部區(qū)域，而較小的Al 顆粒主要分散在射流的高速段；另外，藥型罩中的初始顆粒分布對(duì)射流中的顆粒分布有很大的影響。

圖9 離散化仿真模型［44］Fig.9 PTFE/Al liner discretization finite element model［44］

圖10 射流中Al 顆粒的質(zhì)量分布［44］Fig.10 Mass distribution of Al particles in the jet［44］

反應(yīng)射流的毀傷能力包括其動(dòng)能侵徹能力和后效毀傷能力，侵徹能力與后效毀傷效應(yīng)的同步提高是目前的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?；钚圆牧系拿芏容^低導(dǎo)致反應(yīng)射流的動(dòng)能侵徹能力有限，因此，可添加W、Cu等高密度惰性材料來增強(qiáng)其侵徹性能，但容易造成釋能效率降低，后效毀傷能力削弱等負(fù)面影響。Guo等［45］將Cu和Pb引入傳統(tǒng)的PTFE/Al 活性材料，采用DSC、TG 和XRD 技術(shù)，從熱分析和化學(xué)反應(yīng)兩方面研究了PTFE/Al/Cu/Pb 的反應(yīng)特性。采用真空干燥、球磨混合、冷壓成型和燒結(jié)的方法制備了PTFE/Al/Cu/Pb 活性材料藥型罩，X 射線實(shí)驗(yàn)及鋼板侵徹結(jié)果表明，PTFE/Al/Cu/Pb 反應(yīng)射流表現(xiàn)出顯著的內(nèi)爆炸效應(yīng)的同時(shí)，比傳統(tǒng)的PTFE/Al反應(yīng)射流能產(chǎn)生更深的穿透深度。李延等［46］采用靜爆實(shí)驗(yàn)測(cè)量了PTFE/Ti/W 含能射流與鋁射流在準(zhǔn)密閉容器中的動(dòng)態(tài)超壓，并通過理論計(jì)算得到射流釋能及釋能效率。結(jié)果表明：含能射流在25 L 容器中形成的超壓峰值介于0.78～1.06 MPa，相比于鋁射流可提升3～4 倍；對(duì)于PTFE/Ti/W 藥型罩，隨著W 含量（0%～70%）提高，射流釋能降低，但釋能效率提高；對(duì)于PTFE/Ti 藥形罩，隨著藥型罩質(zhì)量（13～30 g）增加，射流釋能量提高，但釋能效率下降。

另外，許多學(xué)者采用了金屬藥型罩與反應(yīng)藥型罩相結(jié)合的方法，將金屬射流的侵徹能力與活性材料的后效毀傷效應(yīng)高效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)侵徹和后效毀傷能力的同步提升。Wang 等［47］研究了活性材料雙層藥型罩（RM-DLL）聚能裝藥對(duì)厚鋼靶的侵徹增強(qiáng)行為。如圖11 所示，這種RM-DLL 藥型罩包括內(nèi)部銅藥型罩與外部PTFE/Al 活性材料藥型罩，結(jié)合了前體銅射流的穿透能力和后續(xù)活性材料的化學(xué)能釋放。實(shí)驗(yàn)表明，與單一反應(yīng)射流相比，活性材料-銅復(fù)合射流產(chǎn)生了更深的穿透深度，而侵徹性能和進(jìn)入靶板的活性材料質(zhì)量受到反應(yīng)藥型罩厚度和炸高的顯著影響：在相同炸高下，侵徹深度隨著反應(yīng)藥型罩厚度（3～5 mm）的增加而顯著增加。通過數(shù)值仿真進(jìn)一步說明侵徹增強(qiáng)機(jī)理，認(rèn)為反應(yīng)藥型罩厚度的增加，降低了爆燃反應(yīng)速率，延長(zhǎng)了反應(yīng)延遲時(shí)間，從而增加侵徹深度。張雪朋等［48］基于Autodyn 軟件對(duì)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)包覆式活性聚能侵徹體進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。裝藥采用外層為高爆速炸藥和內(nèi)層為低爆速炸藥的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化外層金屬藥型罩對(duì)內(nèi)層活性藥型罩的包覆性?；钚圆牧纤幮驼衷趦?nèi)層的結(jié)構(gòu)，可以解決活性材料受爆炸載荷作用提前發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致活性侵徹體后效毀傷威力不足的問題。Zhang 等［49］研究了反應(yīng)藥型罩增強(qiáng)型聚能裝藥對(duì)混凝土空間的侵徹和內(nèi)爆行為，聚能裝藥采用內(nèi)層Cu、外層PTFE/Al 藥型罩。靜爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單一銅藥型罩相比，復(fù)合藥型罩使混凝土的侵徹直徑和剝落面積分別擴(kuò)大到2 倍和4 倍，并在混凝土封閉空間內(nèi)產(chǎn)生了明顯的超壓。數(shù)值模擬分析揭示了超壓-時(shí)間曲線的多峰現(xiàn)象。提出了反應(yīng)性材料沖擊波的峰值超壓與相對(duì)距離之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。鄭元楓等［50］提出一種內(nèi)層紫銅、外層PTFE/Al 的雙層復(fù)合球缺藥型罩，采用靜爆實(shí)驗(yàn)研究其形成的活性材料/金屬串聯(lián)爆炸成型彈丸（EFP）對(duì)間隔靶的侵爆耦合毀傷行為。結(jié)果表明：該串聯(lián)EFP 對(duì)間隔靶產(chǎn)生了有效的侵徹并發(fā)生類爆轟反應(yīng)；其侵徹層數(shù)和開孔直徑受靶板厚度影響顯著；通過反應(yīng)延遲時(shí)間引入和材料模型轉(zhuǎn)換，仿真進(jìn)一步揭示了串聯(lián)EFP 的形成與作用機(jī)理。

圖11 RM-CL 聚能裝藥結(jié)構(gòu)和復(fù)合射流侵徹過程［47］Fig.11 Typical configuration and penetration process of RM-CL shaped charge［47］

以上多層藥型罩的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生類似于串聯(lián)的毀傷元，毀傷元尾部的活性材料通過金屬射流所產(chǎn)生的侵徹孔進(jìn)入靶板，這要求金屬射流產(chǎn)生較大的侵徹孔徑，以增加進(jìn)入靶板的活性材料質(zhì)量；同時(shí)，也要求活性材料具有一定的反應(yīng)延遲時(shí)間，在進(jìn)入靶板或穿過靶板后才劇烈反應(yīng)。這種多層藥型罩的結(jié)構(gòu)毀傷效果提升顯著，并且在結(jié)構(gòu)上還有較大的改進(jìn)與創(chuàng)新空間。

3 總結(jié)與展望

氟聚物基活性材料在高效毀傷戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用是未來發(fā)展的趨勢(shì)，大量研究工作已經(jīng)為其奠定了一定的理論基礎(chǔ)。作為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，已有豐富的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真等研究成果可以參考，同時(shí)也必須對(duì)新的研究提出更高的創(chuàng)新性要求，才能推動(dòng)氟聚物基活性材料的工程應(yīng)用。氟聚物基活性材料在軍事工程中的應(yīng)用必須解決其性能調(diào)控的難題，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來調(diào)整氟聚物基活性材料的力學(xué)性能和反應(yīng)性能，以達(dá)到理想的毀傷效果。根據(jù)氟聚物基活性材料的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為目前的難點(diǎn)及未來可開展的研究工作主要有：

（1）雖然活性材料的冷壓燒結(jié)工藝已經(jīng)較為成熟，但與惰性金屬材料相比，活性材料的制備、加工和裝配工藝仍然復(fù)雜，成本較高。

（2）在PTFE/Al 的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)節(jié)粒徑、配比或引入新的成分等方法來調(diào)整活性材料性能，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其反應(yīng)閾值、反應(yīng)延遲時(shí)間、釋能效率等關(guān)鍵釋能參數(shù)的精確控制。因此，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和釋能特性的研究仍是未來研究的重點(diǎn)，需要不斷完善活性材料體系的性能參數(shù)。

（3）由于活性材料的密度不高，侵徹能力較差，還達(dá)不到常規(guī)金屬材料的水平，添加高密度惰性金屬粉末對(duì)活性材料釋能行為的影響較大，難以實(shí)現(xiàn)侵徹和后效毀傷能力的同步提升。另外，對(duì)于聚能裝藥，可采用金屬和活性材料的組合藥型罩來提升破甲能力，并且活性材料與金屬藥型罩的裝配結(jié)構(gòu)仍有較大的設(shè)計(jì)空間。

（4）對(duì)于活性材料的沖擊釋能反應(yīng)，目前建立的點(diǎn)火、反應(yīng)模型較為單一，缺少系統(tǒng)性的反應(yīng)釋能模型。數(shù)值仿真是活性材料應(yīng)用設(shè)計(jì)的重要手段，期望開發(fā)一種可根據(jù)釋能參數(shù)便捷調(diào)整材料參數(shù)的系統(tǒng)性仿真方法。同時(shí)目前仿真方法的可靠性也需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

（5）在實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試技術(shù)和性能表征技術(shù)方面可以開展更多的創(chuàng)新性研究與探索，尤其是活性材料釋能過程的直接觀測(cè)與表征技術(shù)。