铝蜂窝增强型Al/PTFE的动态行为与撞击释能特性研究

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Al/PTFE(Aluminum/Polytetrafluoroethylene)含能材料作为一种金属/氟聚物材料,相比于传统的炸药类含能物质,其具有高含能量,在常规环境中呈现惰性等特性,且强度也高于传统的含氮类炸药,可广泛应用于弹药毁伤、反应装甲等领域。然而,纯Al/PTFE含能材料在动态加载条件下的强度仅有数十兆帕,严重地制约了该材料在高动态压缩强度需求背景下的广泛应用,而现有的增强方式又以牺牲活性为代价。为显著提升反应材料的压缩强度并协调动态压缩强度的提高与保持活性二者之间的矛盾,本课题通过充填活性金属骨架实现Al/PTFE含能材料动态压缩强度的提升及活性维持。本文以传统Al/PTFE含能材料为基础,通过添加不同几何尺寸的铝蜂窝骨架,采用冷压烧结的工艺制备了不同类型的铝蜂窝骨架增强Al/PTFE含能材料。采用实验与理论分析相结合的方法对铝蜂窝骨架增强Al/PTFE含能材料的动态力学行为、增强机理和释能特性进行了研究。本文主要研究成果如下:确定了20.5%Al/73.5%PTFE/6%铝蜂窝和24.9%Al/69.1%PTFE/6%铝蜂窝两种试件配比,其中铝蜂窝的壁厚为38μm,臂长分别为1.0mm、1.5mm、2.0mm,Al粉粒径为5μm,PTFE粒径为34μm。基于应力波理论,利用自行构建的分离式霍普金森实验系统对不同臂长铝蜂窝骨架增强型Al/PTFE含能材料试件和不同铝含量配方的铝蜂窝骨架增强型Al/PTFE含能材料试件进行动态强度测试,通过MATLAB软件编程对动态应变仪采集到的数据进行处理,得到试件动态力学响应的实验结果,同时分析试件加载过程中的高速影像和试件加载后的形貌。结果表明在诸多增强因素中,铝蜂窝臂长对增强效果影响最大,其中臂长为1.5mm的铝蜂窝骨架增强效果最佳,可达到100MPa以上。开展了大气环境下,不同铝蜂窝臂长、不同铝含量配方的增强型Al/PTFE含能材料试件在不同撞击速度下的释能实验。通过瞬态超压测试系统、瞬态光纤高温计测试系统和红外热像仪系统,分别获取了试件撞击准密闭容器过程中的超压、产物温度和容器壁温度变化情况。从能量角度分析了不同类型试件在不同撞击条件下的能量释放特性,结果表明在同等撞击速度下撞击释能随试件强度的提高而降低,且铝蜂窝骨架增强Al/PTFE含能材料的强度与撞击释能均高于传统Al/PTFE(26.5%/73.5%)含能材料;由于空气中氧气的存在,试件中铝含量的增加有助于提高能量释放。开展了真空条件下增强型Al/PTFE含能材料试件高速撞击释能实验,根据热电偶获得的单点温度值,通过热传导方程推导了试件撞击反应过程中准密闭容器体的温度分布,结合拉瓦尔喷管效应分析准密闭容器内的压力变化和撞击反应时反应产物的温度,确定了增强型Al/PTFE含能材料在真空条件下完全反应速度阈值为1.5km/s,完全反应释能为8.237kJ/g,在完全反应速度阈值以下,试件的撞击速度对释能结果影响显著。采用Johnson-Cook本构模型和ZWT非线性热粘弹性本构模型分别描述铝与聚四氟乙烯的力学性能,利用叠加原理,并引入铝蜂窝骨架增强效应函数和粉体修正系数,利用两种不同配方的铝蜂窝骨架增强型Al/PTFE含能材料(Ⅰ:20.5%Al/73.5%PTFE/6%铝蜂窝,Ⅱ:24.9%Al/69.1%PTFE/6%铝蜂窝)的霍普金森实验数据拟合出增强型Al/PTFE含能材料的本构模型,并通过实验验证了本构模型的合理性。
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