PTFE基含能药型罩制备及毁伤性能研究

陶忠明，方 向，李裕春，冯 彬，王怀玺，黄骏逸

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京，210007）

PTFE基含能药型罩制备及毁伤性能研究

陶忠明，方 向，李裕春，冯 彬，王怀玺，黄骏逸

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京，210007）

选取了不同PTFE(聚四氟乙烯)基反应材料，通过模压烧结的工艺制备了一批具有一定强度的PTFE基含能药型罩，并利用炸药对其进行直接驱动撞靶实验。结果显示：各PTFE基含能药型罩都能在炸药驱动下成功撞击反应，Mg/PTFE反应材料制备的药型罩和Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩对靶板开孔效果极好，开孔直径分别为13cm和12cm；而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反应材料制备的药型罩仅在撞击部位造成变形凹坑。研究表明靶板穿孔效应与PTFE基含能药型罩所能承受的最大真实应力值有关，药型罩所能承受的最大真实应力值过小会导致药型罩对靶板穿孔扩孔失败。

药型罩；反应材料；PTFE；撞击反应；穿透

反应材料又被称为冲击引发的含能材料，这类材料通常经粉末压实、真空烧结等工艺方法形成，具有一定的强度、硬度和质量密度特性，并且在冲击作用下可发生化学反应生成新的产物并伴随释放大量热量[1-3]。目前国内外学者主要对反应材料的工程应用开展了大量实验研究。2009～2013年，ATK公司及美国海军水面作战中心（NSWC）[4-5]相继披露了反应材料在武器系统及战斗部中的应用研究。国内研究机构[6-12]对反应材料尤其是反应材料破片的毁伤后效及释能效率开展了广泛实验研究。

PTFE基反应材料的应用目标是用密度相对低的反应材料替代弹药中密度相对高的惰性结构材料（如金属类的破片、聚能罩、壳体及附属结构件等），并具备足够的力学性能，这将使得常规战斗部的能量提高，或者质量减轻。本文设计了一种球缺形药型罩压药模具，并通过模压烧结的工艺制备了一批具有一定强度的PTFE基含能药型罩，同时实验研究了8种不同PTFE基含能药型罩在炸药的驱动下撞击钢靶的作用过程。

1 实验部分

1.1 实验材料及配方

镁粉（上海超威纳米科技有限公司，8～10μm）；铝粉（湖南金天铝业高科技股份有限公司，3～5μm）；镍粉（上海乃欧纳米科技有限公司，3～5μm）；钛粉（上海超威纳米科技有限公司，3～5μm）；氧化铁（上海乃欧纳米科技有限公司，3～5μm）；氧化铁（上海实意化学试剂有限公司，分析纯AR）；聚四氟乙烯（上海三爱富新材料股份有限公司，25μm）。8种氟基反应材料的配比如表1所示。

表1 实验样品及配方 （％）Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

1.2 模具设计及试件制备

图1为设计的球缺形药型罩压药模具示意图，模压出的药型罩为等壁厚球缺形，内外曲率半径分别为1.8cm和1.95cm，实验压制的药型罩壁厚为1.5mm。

试件制备过程分3步：混药-模压-烧结。混药过程为：称取相应质量比的原料置于烧杯中，加入适量无水乙醇浸没并机械搅拌20min，再将搅拌后的原料置于真空烘箱中加热5～6h直至烘干，最后过筛得到均匀Mg/PTFE、Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Ti/PTFE、Al/Ni/PTFE、Al/Fe2O3(AR)/PTFE、Al/Fe2O3/PTFE粉末。利用成型模具及FLS30T液压机模压制备尺寸为Φ10mm×15mm的试件用于准静态压缩实验，如图2（a）所示。同时利用设计的模具及FLS30T液压机模压制备固定形状的药型罩，如图2（b）所示。对用于准静态压缩实验的各类试件以及药型罩进行烧结，实验时烧结温度设为350℃。烧结温度控制过程曲线如图2（c）所示。

图1 压药模具示意图Fig.1 Schematic of charge mould

图2 模压成型后的试件及烧结温度控制示意图Fig.2 Specimens after molding and schematic diagram of the sintering temperature control

1.3 准静态压缩实验

参照GB/T 7314-2005 金属材料 室温压缩试验方法，使用SFLS-30T万能实验机对尺寸为Φ10mm ×15mm的各类试件进行压缩速度为0.03s-1的准静态压缩实验。测试条件：准静态压缩最大载荷设置为52kN，实验环境温度为25℃。实验测得试件的真实应力——应变曲线如图3所示。

图3 试件受压过程的真实应力——应变曲线（烧结温度350℃）Fig.3 True stress vs strain curves of specimens in the compression process (sintering at 350℃)

各试件对应的最大真实应力值同时也是烧结过后相同材料氟基含能药型罩的最大真实应力值。

1.4 药型罩相关参数及毁伤实验布置

8种药型罩的相关参数如表2所示。图4（a）为氟基含能药型罩毁伤元的装药结构，主要由壳体、氟基含能药型罩、主装药组成。其中，主装药采用压装塑性炸药，密度为1.57g/cm3；壳体材料采用尼龙塑料，分上下两层，上层胶粘氟基含能药型罩，下层压装塑性炸药，中间隔层降低了塑性炸药爆轰对药型罩的直接冲击作用。实验采用单靶板，靶板使用厚度为3mm的304不锈钢板，氟基含能药型罩与靶板的间距为5cm，采用电起爆方式。图4（b）为实验现场总体布置图。

表2 8种药型罩的相关参数Tab.2 The related parameters of eight kinds of liners

图4 氟基含能药型罩毁伤元装药结构与实验现场总体布置图Fig.4 The shaped charge of the liners and the setup of the experiment

2 结果与讨论

2.1 撞靶效果

点火后，氟基含能药型罩毁伤元在炸药爆轰压力作用下高速撞击钢靶，瞬间产生强烈火光，并在钢靶上留下孔洞，反应结束后实验毁伤效果和各氟基含能药型罩对靶板的穿孔孔径大小如图5所示。各氟基含能药型罩毁伤元对靶板的毁伤效果数据如表3所示。

根据图5以及表3的数据分析可知：（1）各氟基含能药型罩都能在TNT驱动下成功撞击靶板，根据撞击时的剧烈反应现象以及靶板正面撞击部位的黑色烧蚀痕迹，可以确定各氟基含能药型罩都成功撞击反应。（2）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#药型罩均能在撞击靶板反应的同时击穿靶板；而6#药型罩在撞击靶板反应的同时未能击穿靶板，仅在撞击部位造成变形凹坑。（3）1#、2#、3#、4#、5#、7#、8#药型罩以及0#药型罩（未装药型罩）均能成功击穿靶板，但由图5（e）和图5（f）可知，0#药型罩造成的穿孔是冲塞形孔洞，而其余药型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，这表明氟基含能药型罩能产生较好的径向膨胀扩孔效应。（4）1#药型罩对靶板的贯穿效果最好，穿孔直径达到13cm；6#药型罩对靶板的贯穿效果最差，未能贯穿靶板。

图5 实验毁伤效果Fig.5 The damage effect of the experiment

表3 各氟基含能药型罩对靶板的毁伤效果相关参数Tab.3 The related parameters of the damage effect to the amours of liners

2.2 撞靶行为分析

氟基含能药型罩在TNT炸药驱动下以极高的速度撞击靶板，在撞击靶板瞬间发生剧烈化学反应并释放大量热量，同时对靶板造成贯穿和径向膨胀扩孔效应。各氟基含能药型罩撞击瞬间发生的主要化学反应方程式如下：

其中，1#药型罩和7#药型罩能承受的最大真实应力值分别为44MPa和41MPa，对靶板开孔效果极好，开孔直径分别为13cm和12cm；2#药型罩、3#药型罩、4#药型罩、8#药型罩能承受的最大真实应力值分别为59MPa、57MPa、42MPa、38MPa，对靶板开孔效果较好，开孔直径分别为8cm、6cm、6cm、8cm；5#药型罩能承受的最大应力值为79MPa，对靶板开孔效果一般，开孔直径为2.5cm；6#药型罩能承受的最大真实应力值为21MPa，对靶板开孔效果极差，未能贯穿靶板。

由以上分析可以看出：（1）各氟基反应药型罩均能在高速撞击下成功发生化学反应，并能对靶板产生穿孔扩孔作用（6#药型罩除外）；（2）Mg/PTFE反应材料制备的药型罩（1#）在撞击瞬间能发生剧烈氟化还原反应，导致药型罩在穿靶过程对靶孔产生较大的径向膨胀扩孔效应，开孔直径达到13cm；Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩（7#）在撞击瞬间能同时发生剧烈氟化还原反应以及铝热还原反应，生成高温金属熔渣较多，导致药型罩在穿靶过程对靶孔产生较大的径向膨胀扩孔效应，开孔直径达到12cm。（3）从靶板的穿孔效果来看，靶板穿孔效应与氟基含能药型罩所能承受的最大真实应力值有关，药型罩所能承受的最大真实应力值过小会导致药型罩在撞击靶板瞬间完全破碎，虽然仍能有效反应，但会导致药型罩对靶板穿孔扩孔失败，所以6#药型罩（能承受的最大真实应力值为21MPa）虽然成功撞击反应，但未能贯穿靶板。

3 结论

本文利用设计的球缺形药型罩压药模具，选取了8种不同氟基反应材料，并通过模压烧结的工艺制备了一批具有一定强度的氟基含能药型罩，并利用塑性炸药对其进行直接驱动撞靶实验。实验结果表明：（1）各氟基含能药型罩都能在炸药驱动下成功撞击反应，并能对靶板产生穿孔扩孔作用（6#药型罩除外）。（2）0#（未装药型罩）药型罩对靶板造成的穿孔是冲塞形孔洞，而氟基含能药型罩造成的穿孔均是花瓣形孔洞，这表明氟基含能药型罩能产生较好的径向膨胀扩孔效应。（3）Mg/PTFE反应材料和Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩在穿靶过程对靶孔会产生较大的径向膨胀扩孔效应而Al/Fe2O3（AR）/PTFE反应材料制备的药型罩仅在撞击部位造成变形凹坑。（4）靶板穿孔效应也与氟基含能药型罩所能承受的最大真实应力值有关，药型罩所能承受的最大真实应力值过小会导致药型罩在撞击靶板瞬间完全破碎，虽然仍能有效反应，但会导致药型罩对靶板穿孔扩孔能力下降。

[1]陶忠明,方向,李裕春,冯彬,王怀玺. Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备及性能[J].含能材料, 2016,24(08): 781-786.

[2]Qiao L,Zhang X F,He Y,etal.Multiscale modelling on the shock-induced chemical reactions of multifunctional energetic structural materials[J].Journal of Applied Physics, 2013, 113(17):173513-173513-17.

[3]Feng B,Fang X,Li Y C,etal.An initiation phenomenon of Al-PTFE under quasi-static compression[J].Chemical Physics Letters, 2015, 637: 38-41.

[4]Mock W,Hanna B L,Holt W H.Reactive material initiator for explosive-filled munitions:US, 7587978[P].2009-09-15.

[5]Truitt R M,Nielson D B,Ashcroft B N,et al.Weapons and weapon components incorporating reactive materials:US, 7614348[P].2009-11-10.

[6]王海福,刘宗伟,俞为民,等.活性破片能量输出特性实验研究[J].北京理工大学学报, 2009 (8): 663-666.

[7]Wang H,Zheng Y,Yu Q,etal.Impact-induced initiation and energy release behavior of reactive materials[J].Journal of Applied Physics, 2011, 110(7): 074904-074904-6.

[8]Jiang J W,Wang S Y,Zhang M,etal.Modeling and simulation of JWL equation of state for reactive Al/PTFE mixture [J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2012,21(02): 150-156.

[9]何源,何勇,张先锋,等.含能破片冲击起爆临界条件研究[J].弹道学报, 2011 (4): 45-49.

[10]Zhang X, Shi A,Qiao L,etal. Experimental study on impactinit -iated characters of multifunctional energetic structural materials[J]. Journal of Applied Physics, 2013,113 (8): 083508-083508-10.

[11]彭飞,余道强,阳世清,等.含能破片战斗部毁伤效应研究[J].含能材料, 2011,19(4): 450-453.

[12]孙文旭,李尚斌,黄亨建, 等.防护材料对爆炸驱动反应破片的影响[J].科技导报, 2011,29(16): 30-34.

Research on Preparation and Mutilate Performance of Fluoropolymer-Matrix Energetic Liners

TAO Zhong-ming，FANG Xiang，LI Yu-chun，FENG Bin，WANG Huai-xi，HUANG Jun-yi
(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing, 210007）

Using charge mould of hemispherical liner and selecting eight kinds of fluoropolymer-matrix reactive materials，a group of certain intensity fluoropolymer-matrix energetic liners were prepared, by moulding and sintering method，as well as the impact experiment was carried out by the explosive driver. The results show that fluoropolymer-matrix energetic liners can produce chemical reaction under the impact by the explosive driver, and can effectively penetrating the steel plate. The liners which were made of reactive Mg/PTFE and Al/Fe2O3/PTFE materials can effectively penetrating the steel plate, and the aperture size for the steel plate are13cm and 12cm. But the liner made of reactive Al/Fe2O3（AR）/PTFE material, just caused deformation pits in the impact site.The steel plate perforation effect with the maximum real stress of the fluoropolymer-matrix energetic liners were concerned，the lower maximum real stress value of liners can cause the failure of penetrating and reaming to the steel plate.

Liner；Reactive material；PTFE；Impact reaction；Penetration

TJ410.3+33

A

1003-1480（2016）06-0013-04

2016-09-27

陶忠明（1992 -），男，在读硕士研究生，主要从事爆破技术研究工作。

国家科学自然基金（批准号：51673213）。