铝含量对铝-聚四氟乙烯反应材料准静态压缩力学响应和反应特性的影响

王怀玺，方 向，冯 彬，李裕春，吴家祥，黄骏逸



铝含量对铝-聚四氟乙烯反应材料准静态压缩力学响应和反应特性的影响

王怀玺，方 向，冯 彬，李裕春，吴家祥，黄骏逸

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京，210007）

为了研究铝含量对铝-聚四氟乙烯（Al-PTFE）反应材料准静态压缩力学响应和反应特性的影响，通过特定的冷压和烧结工艺，制备了4种不同Al含量的Al-PTFE试件，并进行准静态压缩试验。结果表明，铝含量影响材料的力学响应和失效模式，进而影响材料的反应特性；含有16 wt% Al的试件部分反应，26 wt% Al的试件完全反应，36 wt% Al和46 wt% Al的试件未发生反应；在反应的两类试件中观察到张开型裂纹和剪切裂纹，而在未反应的试件中仅观察到剪切裂纹。

Al-PTFE； 准静态压缩； 力学响应；反应特性

反应材料（reactive materials,RMs）又称冲击引发的含能材料，通常由两种或两种以上非爆炸性固体材料组成[1]。与传统的含能材料不同，在冲击加载过程中，此类材料在没有引信的条件下组分之间能相互反应发生爆燃或爆炸，释放大量的化学能，具备高能量密度、能量释放速率以及力学强度。金属-聚合物复合材料是一类典型的反应材料，而铝-聚四氟乙烯（Al-PTFE）是这类材料的代表。由化学平衡比组成的Al-PTFE反应材料的单位质量的理论热值为8.53MJ/kg，是TNT（4.18MJ/kg）的两倍左右。

国内外学者对Al-PTFE反应材料展开了广泛研究，主要集中在材料的制备[2-6]、力学响应[7-12]、能量输出特性[13-17]等方面。但由于材料反应是在高速冲击下进行，目前的观测手段无法清晰地获知整个反应过程，各学者对材料的反应机理仍未有统一的认识。冯彬[18-19]等发现采用特定的冷压和烧结工艺制备得到的Al-PTFE试件在准静态压缩下能够发生剧烈的化学反应，研究了烧结温度、材料配比、Al粒径3种因素对准静态压缩反应的影响，并确定了Al-PTFE发生反应的材料-工艺范围，但针对铝含量对Al-PTFE力学响应和反应现象的影响未做详细阐述。本文优化了制备工艺，对4种不同Al含量的Al-PTFE试件进行准静态加载，分析其对材料力学响应、失效模式以及反应现象的影响。

1 实验部分

1.1 试件制备

采用冷压和烧结工艺制备了质量百分数分别为16%、26%、36%、46% 的4种不同Al含量的Al-PTFE试件。粉末粒径分别为：Al: 6~7μm，PTFE：25μm。试件制备主要分为3个步骤：（1）混料：将Al粉和PTFE粉末放入装有酒精的烧杯中，机械搅拌20min，使两种粉末充分混合。然后将混合后的溶液倒入蒸发皿并放入真空烘箱，在60℃的温度下干燥48h，保证酒精完全挥发（不定时地将挥发出的酒精气体抽出）；（2）压制：将干燥后的粉末进行过筛处理，避免粉末团聚。通过漏斗将粉末装入模具，随后利用液压机将粉末压制成尺寸φ10mm×10mm的准静压标准件。压制压力300MPa，为防止试件回弹，需要在压制压力的位置保压，保压时间1min；（3）烧结：将压制成型的试件放入烧结炉中，为防止烧结过程中Al被氧化，利用真空泵将炉中的气体抽出。具体烧结工艺为：以90℃/h的升温速度升到烧结温度360℃，保温6h，然后以50℃/h的降温速度降至25℃。整个烧结过程中温度的控制由内置在烧结炉中的温度控制器完成。

不同Al含量的试件烧结后的状态如图1所示，试件的密度和理论最大密度见表1。

为了考察混料的均匀性，利用扫描电子显微镜（SEM）观察试件的微观形貌，如图2所示。从图2（a）中可以看出Al颗粒均匀分布在PTFE基体中，图2（b）、2（c）和2（d）分别是元素Al、C、F的面分布图，3种元素在采样区域均匀分布，进一步证明了本文制备工艺的可靠性。

表1 不同Al含量的Al-PTFE试件烧结后密度

Tab.1 The density of Al-PTFE sample with different Al content after sintering

图1 不同Al含量的Al-PTFE准静态压缩试件

图2 Al-PTFE（26 wt%Al）试件微观形貌及元素面分布

1.2 实验过程

准静态压缩试验在CMT5105微机控制电子万能试验机下进行，环境温度25℃，试验装置如图3所示。

图3 CMT5105试验系统

利用摄像机记录试验过程中发生的反应现象，帧速率为25帧/s。压头加载速度为6mm/min，对应的试件应变率为0.01s-1。每种试件进行3次重复试验，确保试验数据的可靠性和可重复性。

在准静态加载试验中，数据采集系统记录的是压头的实时压力和位移数据，材料的工程应力和应变可由式（1）得出：

式（1）中：σ、分别为工程应力和工程应变；为加载力；0、0分别为试件的初始长度和截面积；为准静态加载过程中试件的瞬时长度。由于加载过程中试件的截面积和长度都在改变，工程应力——应变无法表征材料的真实应力——应变状态。根据体积不变性假设：00=，可以推导出真实应力和应变的关系式：

式（2）中：σ、ε分别为真实应力和真实应变。

2 结果与讨论

2.1 Al含量对Al-PTFE准静态压缩反应现象的影响

对4类Al-PTFE试件进行准静态加载，每种试件重复3次。实验结果为含16 wt% Al的3个试件部分反应；含26 wt% Al的试件全部完全反应；而在对36wt% Al和46wt%Al试件的加载过程中未观察到反应现象。摄像机记录的准静态反应过程如图4所示。

图4 准静态加载下的发火现象

记首次观察到火光的时刻=0ms，16 wt% Al试件部分反应，反应时间120ms左右，并伴随张开型裂纹的生成；对于26wt% Al试件，=0ms时观察到火光，持续40ms左右后熄灭，同时观察到第1个张开型裂纹；=4 320ms时第2次观察到火光，持续40ms左右后熄灭，形成第2个张开型裂纹；=4 560ms时第3次观察到火光并迅速向周围传播，试件剧烈反应，=7 200ms时反应结束，整个过程持续约2 640ms。

在准静态加载过程中，万能试验机停止加载的判据为10%的力值下降。对于本文研究的材料，当试件失效时，压力会突然下降，伴随着应变能的释放，材料呈脆性断裂。对于图4（a）所示的反应现象，由于还原剂（Al）较少，由应变能释放引发的局部反应无法进一步向四周传播，因此材料表现为部分反应；对于图4（b）所示的反应现象，前两次观察到火光并迅速熄灭是因为力值下降小于10%，未满足试验机停止加载的判据，因此试验机会继续加载，相应的应变能释放较少，虽然氧化剂和还原剂处于化学平衡比，仍无法继续反应。当第3次观察到火光时，数据采集系统显示的力值大幅度下降，试验机停止加载，此时释放的能量足以引发未反应区域，试件剧烈反应。

2.2 Al含量对Al-PTFE力学响应及失效模式的影响

对不同Al含量的Al-PTFE试件测试得到的真实应力——应变曲线如图5所示，表2为4种材料的力学响应参数。

表2 不同Al含量的Al-PTFE试件准静压力学响应参数

Tab.2 The mechanical response parameters of Al-PTFE samples with different Al content under quasi-static compression

图5 Al含量对Al-PTFE应力——应变曲线的影响

从图5中可以看出4种Al-PTFE试件力学曲线的走势基本一致，有明显的弹性段和塑性段，应变硬化效应显著。图6为Al含量对Al-PTFE试件准静压力学响应参数的影响规律。由表2和图6可以看出，随着Al含量的增加，Al-PTFE的弹性模量和屈服强度相应增加，而材料的硬化模量、压缩强度以及失效应变则呈现先升高后降低的规律，当Al和PTFE的含量处于化学平衡比时（26 wt%Al）达到最大。

图6 Al含量对Al-PTFE试件准静压力学响应参数的影响规律

准静态压缩后的试件以及截面形貌如图7所示，由图7可以看出，26wt% Al试件完全反应，加载结束后试件燃烧为一堆黑色的反应产物；16 wt% Al试件部分反应，环向上有张开型裂纹，在其截面上同时也观察到了剪切裂纹；36wt% Al和46 wt% Al的试件未发生反应，在准静态压缩后的试件表面未观察到任何形式的裂纹，而在其截面上观察到了剪切裂纹。

图7 准静态加载后不同Al含量的Al-PTFE试件形状及截面形貌

根据以上现象，反应的两类试件均出现了张开型裂纹（26 wt% Al试件虽然完全反应，但从图4（b）的反应现象中可以很清晰地看到张开型裂纹），随着Al含量的增加，试件表现为剪切失效，因此从宏观上可推测准静态发火与张开型裂纹的形成有直接的关系。

3 结论

（1）通过观察试件的微观形貌以及元素的面分布图可知，采用本文制备工艺得到的试件有较高的均匀性，该制备工艺较为可靠。

（2）含16 wt% Al试件部分反应，26 wt% Al试件完全反应，而在对36 wt% 和46 wt% Al试件的加载过程中未观察到反应现象。

（3）随着Al含量的增加，Al-PTFE的弹性模量和屈服强度相应提高，而材料的硬化模量、压缩强度以及失效应变则呈现先升高后降低的规律。

（4）当Al含量较少时，在压缩后试件的截面上可观察到张开型裂纹和剪切裂纹，随着Al含量的增加，试件表现为剪切失效，此时无反应发生。因此从宏观上可推测准静态发火与张开型裂纹的形成有直接的关系。

[1] Zhang X F, Zhang J, Qiao L, et al. Experimental study of the compression properties of Al/W/PTFE granular composites under elevated strain rates[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 581(10):48-55.

[2] Joshi V S. Process for making polytetrafluoroethylene- aluminum composite and product made: US, US6547993[P]. 2003-04-15.

[3] Vavrick D J. Reinforced reactive material: US, US 20050067072 [P]. 2005-03-31.

[4] Nielson D B, Truitt R M, Ashcroft B N. Reactive material enhanced projectiles and related methods: US, US 8122 833[P]. 2012-02-28.

[5] 阳世清, 徐松林, 张彤. PTFE/Al反应材料制备工艺及性能[J].国防科技大学学报, 2008, 30(6):39-42.

[6] 刘晓俊, 任会兰. 一种反应材料制备及准静态力学特性研究[J]. 北京理工大学学报, 2016, 36(4):365-369.

[7] Herbold E B, Nesterenko V F, Benson D J, et al. Particle size effect on strength, failure, and shock behavior in polytetra- fluoroethylene-Al-W granular composite materials[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 104(10):103903-103903-11.

[8] Cai J, Walley S M, Hunt R J A, et al. High-strain, high- strain-rate flow and failure in PTFE/Al/W granular composites [J]. Materials Science & Engineering A, 2008, 472(1-2): 308-315.

[9] Raftenberg M N, Jr W M, Kirby G C. Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/Al composite mixture [J]. International Journal of Impact Engineering,2008,35 (12):1 735-1 744.

[10] 乌布力艾散·麦麦提图尔荪,葛超,董永香,等. 基于Al/ PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟[J]. 复合材料学报, 2016, 33(11):2 528-2 536.

[11] 徐松林,阳世清,徐文涛,等. PTFE/Al反应材料的力学性能研究[J].高压物理学报, 2009, 23(5):384-388.

[12] 乔良,涂建,赵利军,等. Al/W/PTFE粒径级配关系对材料强度影响的实验研究[J].兵器材料科学与工程, 2014(6): 17-21.

[13] 黄亨建, 黄辉, 阳世清,等. 毁伤增强型破片探索研究[J]. 含能材料, 2007, 15(6):566-569.

[14] 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.

[15] 赵宇峰,冯顺山,王成龙,等.金属添加剂对氟聚物冲击反应材料能量特性的影响[J].北京理工大学学报,2013,33(12) : 186-189.

[16] Ames R. Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials[J]. Mrs Online Proceeding Library, 2004, 896(3): 321-333.

[17] Hunt E M, Malcolm S, Pantoya M L, et al. Impact ignition of nano and micron composite energetic materials[J]. Interna- tional Journal of Impact Engineering,2009,36(6): 842- 846.

[18] 冯彬,方向,李裕春,等. 10-2s-1压缩应变率下Al-Teflon的反应现象[J].含能材料,2016, 24(6): 599-603.

[19] Feng B, Li Y-C, Wu S-Z, et al. A crack-induced initiation mechanism of Al-PTFE under quasi-static compression and the investigation of influencing factors[J].Materials &Design, 2016(108): 411-417.

Effect of Al Content on the Mechanical Response and Reaction Characteristic of Al-PTFE Reactive Material under Quasi-static Compression

WANG Huai-xi，FANG Xiang，FENG Bin，LI Yu-chun，WU jia-xiang，HUANG Jun-yi

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

To investigate the effect of Al content on the mechanical response and reaction property of Al-PTFE reactive material under quasi-static compression, four kinds of Al-PTFE samples with different Al contents were fabricated, and the quasi-static compression were conducted. Test results show that the aluminum content affects the mechanical response and failure mode, and then affects the reaction characteristics of the material. Specimens containing 16 wt% Al were partially reacted, and 26 wt% Al specimens reacted fully, while 36 wt% Al and 46 wt% Al specimens did not react. Opening cracks and shear cracks were found in the two types of reacted samples, while only shear cracks were observed in the unreacted samples.

Al-PTFE；Quasi-static compression；Mechanical response；Reaction characteristic

1003-1480（2017）05-0041-05

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.011

2017-07-03

王怀玺（1991 -），男，在读博士研究生，主要从事反应材料制备及性能研究。

国家自然科学基金（51673213）。