三种反应材料药型罩对双靶板毁伤性能实验研究

陶忠明，宋佳星，吴家祥，李裕春，方 向，黄骏逸



三种反应材料药型罩对双靶板毁伤性能实验研究

陶忠明，宋佳星，吴家祥，李裕春，方 向，黄骏逸

（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京，210007）

为验证Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Fe2O3/PTFE 3种氟基反应材料的毁伤性能，通过模压烧结的方法制备了3种氟基反应药型罩，同时进行了破甲验证试验。结果显示：3种氟基反应药型罩均能在炸药驱动撞击下发生化学反应，并能有效贯穿第1层靶板，Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩撞击时对靶板的径向膨胀扩孔效应最明显，对第1层靶板的开孔直径达到16cm，但未能贯穿第2层靶板；Ni/PTFE反应材料制备的药型罩在贯穿第1层靶板后能有效贯穿第2层靶板，且对第2层靶板的开孔直径达到1.5cm；3种氟基反应药型罩对第1层靶板的开孔大小依次为Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；对第2层靶板的开孔大小依次为Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。

药型罩；反应材料；PTFE；撞击反应

反应材料又被称为冲击引发的含能材料，近几年成为含能材料领域新兴的研究热点。常见的反应材料涵盖了铝热剂、金属间化合物、金属-聚合物、亚稳态金属分子间化合物等，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[1-6]。

在现阶段的制备工艺下，传统的单分子含能材料（TNT、RDX等）能量密度已难以进一步提升，相比之下，金属燃料的燃烧焓远大于单分子含能材料，具有更高的能量密度，但其能量释放速率和燃烧速率较低，一般只作为铝热剂、烟火剂使用[7]。反应材料兼具单分子含能材料能量释放迅速和金属燃料能量密度高的特点，成为含能材料发展的一个重要新方向[8]。以Al/PTFE(铝/聚四氟乙烯)为代表的氟基反应材料由于其能量密度高、稳定性强、机械性能好、较易制备的特性，受到国内外科研机构的重视并得到了广泛的实验研究[9]。

氟基反应材料作为含能结构材料应用的一个重要目标是：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，或者二者兼而有之[10]。相对于传统的含能材料，氟基含能反应材料的强度较高[11]。故本文通过选取3种不同氟基反应材料制备成具有一定强度的氟基反应药型罩，利用炸药对其进行直接驱动撞靶，同时对比撞靶试验结果，探索3种不同氟基反应材料对钢靶的破甲作用过程。

1 试验部分

1.1 试验材料及配方

铝粉（湖南金天铝业高科技股份有限公司，平均粒径3~5μm）；镍粉（上海乃欧纳米科技有限公司，平均粒径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，平均粒径25μm）。3种氟基反应材料的配比如表1所示。

表1 试验样品及配方 （%）

Tab.1 The samples and formulation used for the experiment

1.2 药型罩制备

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Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Fe2O3/ PTFE粉末。利用成型模具及FLS30T液压机模压制备固定形状的药型罩，如图1所示。

3种药型罩的相关参数如表2所示。

图1 模压成型后的药型罩

表2 3种药型罩的相关参数

Tab.2 The related parameters of three kinds of liners

1.3 试验布置

图2（a）为氟基反应药型罩毁伤元的装药结构，主要由壳体、氟基反应药型罩、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，上层胶粘氟基反应药型罩，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冲击。

试验采用双靶板，靶板使用厚度为3mm的304不锈钢板，氟基反应药型罩与靶板的间距为5cm，两靶板间距5cm，采用电起爆方式。图2（b）为试验现场总体布置图。

（a） 装药结构 (b) 试验现场总体布置

2 结果与讨论

2.1 撞靶效果

点火后，氟基反应药型罩毁伤元在塑性炸药的驱动下高速撞击钢靶，瞬间产生强烈火光，并在钢靶上留下孔洞，反应结束后总体毁伤效果和局部毁伤效果如图3所示。各氟基反应药型罩对第1层靶板的穿孔孔径大小如图4所示。通过观测，汇总3种氟基药型罩毁伤元对双靶板的毁伤效果相关数据，如表3所示。

图3 总体毁伤效果和局部毁伤效果

图4 各氟基反应药型罩对第1层靶板的穿孔孔径

表3 3种药型罩对靶板的毁伤效果相关参数

Tab.3 The related parameters for the damage effect to the steel plates of three kinds of liners

分析图3~4以及表3的数据可知：（1）3种氟基反应药型罩都成功撞击并贯穿第1层靶板，根据撞击时的剧烈反应现象以及贯穿孔周向的黑色烧蚀痕迹，可以确定3种氟基反应药型罩都成功撞击反应。（2）1#药型罩在成功贯穿第1层靶板后，仅在第2层靶板上留下3个微小贯穿孔；而2#药型罩同时贯穿了两层靶板；3#药型罩仅贯穿第1层靶板，在第2层靶板上留下零星细微凹坑。（3）3#药型罩对第1层靶板的贯穿效果最好，开孔直径达到16cm；2#药型罩对第2层靶板的贯穿效果最好，开孔直径达到1.5cm。（4）3种氟基反应药型罩对第1层靶板的开孔大小依次为：Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；对第2层靶板的开孔大小依次为：Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。

2.2 撞靶行为分析

氟基反应药型罩在塑性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。

3种氟基反应药型罩撞击瞬间发生的主要化学反应方程式如下：

其中：1#药型罩能承受的最大真实应力值为54MPa，撞击瞬间发生的主要化学反应为式（1），对第1层靶板开孔效果较好（开孔直径为8cm），对第2层靶板开孔效果一般（开孔直径为0.2cm）；2#药型罩能承受的最大真实应力值为92MPa，撞击瞬间发生的化学反应为式（2），对第1层靶板开孔效果一般（开孔直径为4.5cm），但能有效贯穿第2层靶板（开孔直径为1.5cm）；3#药型罩能承受的最大真实应力值为34MPa，撞击瞬间发生的化学反应为式（1）和（3），对第1层靶板开孔效果极好（开孔直径为16cm），但未能有效贯穿第2层靶板。

由上面分析可以看出：（1）3种氟基反应药型罩均能在高速撞击下成功发生化学反应，并能有效贯穿第1层靶板。（2）Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩在撞击瞬间能同时发生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16cm。（3）从第2层靶板的穿孔效果来看，Al/PTFE反应材料制备的药型罩经过烧结后能承受的最大真实应力值达到54MPa，其对第2层靶板的开孔效果一般（开孔直径为0.2cm），而Ni/PTFE反应材料制备的药型罩经过烧结后能承受的最大真实应力值达到92MPa，其对第2层靶板的穿孔效果较好（开孔直径为1.5cm），Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩经过烧结后能承受的最大真实应力值仅达到34MPa，其未能贯穿第2层靶板。故第2层靶板的穿孔效应主要与氟基反应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越大，药型罩在贯穿第1层靶板破碎的同时仍具有一定强度，能保证其有效贯穿第2层靶板。Ni/PTFE反应材料制备的药型罩经过烧结后能承受的最大真实应力值达到92MPa，故其对第2层靶板穿孔效果较好，相反，Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩经过烧结后能承受的最大真实应力值仅达到34MPa，结果其未能贯穿第2层靶板。

3 结论

本文通过选取3种不同氟基反应材料制备成具有一定强度的氟基反应药型罩，并利用塑性炸药对其进行直接驱动撞靶试验。试验结果表明：3种氟基反应药型罩均能在炸药驱动撞击下成功发生化学反应，并能有效贯穿第1层靶板。3种氟基反应药型罩对第1层靶板的开孔大小依次为：Al/Fe2O3/PTFE（3#）、Al/PTFE（1#）、Ni/PTFE（2#）；对第2层靶板的开孔大小依次为：Ni/PTFE（2#）、Al/PTFE（1#）、Al/Fe2O3/PTFE（3#）。Al/Fe2O3/PTFE反应材料制备的药型罩撞击时对第1层靶板的径向膨胀扩孔效应最明显，开孔直径达到16cm，但未能贯穿第2层靶板；而Ni/PTFE反应材料制备的药型罩在贯穿第1层靶板后能有效贯穿第2层靶板，且第2层靶板开孔直径达到1.5cm。氟基反应药型罩对第2层靶板的贯穿效果主要取决于氟基反应药型罩所能承受的最大真实应力值，且当氟基反应药型罩所能承受的最大真实应力值越大，其对第2层靶板的贯穿效果越好。

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Research on the Damage Performance of Three Types of Reactive Material Liners on the Double Target Plate

TAO Zhong-ming，SONG Jia-xing，WU Jia-xiang，LI Yu-chun，FANG Xiang，HUANG Jun-yi

(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing，210007）

To verify the mutilate performance of fluoropolymer-matrix reactive Al/PTFE, Ni/PTFE, Al/Fe2O3/PTFE materails, three kinds of fluoropolymer-matrix reactive liners were prepared by moulding and sintering method, sunder armor verification experiment was carried out at the same time. The results show that three fluoropolymer-matrix reactive liners can produce chemical reaction under the impact by the explosive driver, and can effectively penetrating the first level steel plate. The liner made of reactive Al/Fe2O3/PTFE material have obvious radial expansion reaming effect as impacting, and the aperture size for the first level steel plate is 16cm, but failed to penetrate the second level steel plate. The liner which was made of reactive Ni/PTFE material can effectively penetrate the second level steel plate when it has penetrated the first level steel plate, and the aperture size for the second level steel plate is 1.5cm. The aperture size caused by three kinds of fluoropolymer-matrix reactive liners for the first level steel plate from large to small is Al/Fe2O3/PTFE（3#）, Al/PTFE（1#）, Ni/PTFE（2#）, and the aperture size for the second level steel plate from large to small is Ni/PTFE（2#）, Al/PTFE（1#）, Al/Fe2O3/PTFE（3#）.

Liner；Reactive material；PTFE；Impact reaction

1003-1480（2017）04-0001-04

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.001

2017-05-11

陶忠明(1992-)，男，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）。