爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究*

杜 宁，张先锋，熊 玮，杨 莹，黄炳瑜，陈海华

（1. 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2. 江苏永丰机械有限责任公司，江苏 南京 210014）

活性材料通常是由两种或两种以上非炸药材料混合而成，例如聚合物/金属或金属/金属的混合物，在未来高效毁伤和防护技术上有非常广阔的应用前景[1-3]。制备的活性材料强度已经可以达到数百兆帕，高强度意味着该类材料可作结构材料使用，使一些弹药“惰性”部件或结构件能量化[4-6]。目前关于活性材料的应用研究主要集中在活性破片、活性药型罩等活性毁伤元中，主要用于提高对目标的毁伤能力。

在表征活性材料冲击反应释能特性方面已开展了大量的试验研究工作[7-8]，但现有的研究工作对活性材料爆炸驱动下的能量释放特性关注不够。在活性材料增强爆炸驱动毁伤效应研究方面，Clemenson[9]对爆炸驱动下活性材料能量释放规律进行了研究，采用高速摄影、光谱法确定典型活性材料的爆炸驱动能量释放特性，并通过改变活性材料的成分和壳体形状，获得壳体碎片的分布规律。Fabignon 等[10]、Orth 等[11]从活性材料能量释放角度，向高爆炸药和推进剂中添加活性金属，提高材料的能量密度和能量输出能力。Guadarrama 等[12]对常用作烟火剂的粉末材料及其炸药耦合作用进行了研究，发现爆炸驱动下粉末抛射并释放能量有利于提高空气冲击波峰值超压。Frost 等[13]、Ames 等[14]从终点效应角度分析活性材料撞击金属板时形成碎片不仅可以产生动能损伤，还可以将这种动能与碎片冲击耦合时快速化学反应产生的二次能量释放，增强对目标的毁伤作用。目前，活性材料作为战斗部壳体部件在爆炸驱动下能量释放特性，包括温度场分布、冲击波的强化效果等尚不明确。

本文中，利用爆炸驱动试验，研究典型Al/PTFE、Al/Ni 活性材料及Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料壳体在爆炸驱动下的能量释放特性，分析不同材料壳体装药火球成形和演变情况、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，结合炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验公式，计算爆炸驱动下活性材料的释能效率，分析该类材料反应释能对空气冲击波的影响规律，以期为PTFE、Al/Ni 活性材料的化应用提供参考。

1 活性材料制备及力学性能测试

参考相关学者对典型活性材料的制备工艺[15-16]，制备Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料时分别采用了压制烧结工艺和压制工艺。烧结工艺是Al/PTFE 材料最终获得结构强度的重要手段，对于Al/Ni 材料采用压制可获得较高的结构强度。该种方法具有制备成本低、工艺简单的优点。粉末压制成型工艺主要包括混合、干燥、模具压制和烧结等过程[17]，其制备流程见图1。其中Al 粉、Ni 粉和W 粉平均粒径均约为75 µm，PTFE 为絮状材料。Al/PTFE 材料烧结时采用的温度和时间如图2 所示。通过粉末压制工艺制备的Al/PTFE、Al/Ni 圆柱体如图3 所示。

图 1 活性材料制备工艺流程Fig. 1 Preparation route of energetic structural materials

采取压制工艺制备了Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料壳体，用于开展对比研究。在惰性材料Al2O3/PTFE/W 中，成分W 非常稳定，基本不参与反应，主要起增大密度的作用[18]。通过调整各组分的质量百分比，保证惰性材料的质量、密度、密实度等参数与活性材料基本一致。通过粉末压制成型工艺制备的壳体材料参数如表1 所示。其中，Qm为每克活性材料释放的化学能；σ 为材料准静态压缩屈服强度，由准静态压缩试验确定，试验应变率为0.001 s−1；ρ 为不同材料壳体的密度，m 为不同材料壳体的质量。

图 2 Al/PTFE 活性材料烧结工艺曲线Fig. 2 Sinter curve of Al/PTFE energetic structural materials

图 3 粉末压制工艺制备Al/PTFE、Al/Ni 材料Fig. 3 Al/PTFE and Al/Ni materials by powder compaction

表 1 材料性能参数Table 1 The parameters of materials

2 活性材料爆炸驱动能量释放特性试验

2.1 活性材料爆炸驱动装置

活性材料爆炸驱动装置结构示意图如图4所示，主要由传爆药柱、炸药装药、尼龙衬套、壳体、下盖板等组成，其中壳体材料分别为表1中的4 种材料。试验装置照片如图5 所示，其中，炸药装药为 ∅ 30 mm×37 mm 的8701 药柱，密度为1.7 g/cm3，装药质量为44 g；活性材料外径为50 mm，内径为34 mm；尼龙衬套壁厚1.7 mm。雷管座主要用于固定雷管及传爆药柱，并与药柱下盖板一起约束爆轰产物，控制爆轰产物的飞散方向。

图 4 约束装药示意图Fig. 4 Schematic diagram of confined charge

图 5 活性材料爆炸驱动装置Fig. 5 Explosive loading device of energetic structural materials shells

2.2 试验测试方案

试验布局如图6 所示，将该装药结构置于PVC 塑料管支架上，距离地面1.5 m。运用YD-202 压电式压力传感器测量爆炸驱动下自由场空气冲击波峰值超压。采用高速摄影、远红外热像仪测试火球爆炸参数、温度场分布特点。活性材料爆炸驱动装置与压力传感器、高速摄影、远红外热像仪的水平距离分别为1.8、22、22 m。其中，爆炸驱动过程由高速摄影以5 000 s-1的速度进行拍摄，捕捉不同材料爆炸驱动过程中火光结构的瞬态演变过程。试验使用美国Flir 公司生产的SC7000 远红外热像仪，该仪器具有测试精度高、灵敏度高等特点，能够实时监控记录样品爆炸及辐射性能的动态变化。仪器波长范围为7.7～9.2 µm，测试频率为200 Hz，镜头焦距为25 mm，发射率为1。此外，为了研究活性材料的撞击反应行为，在距离装药水平距离2 m 处设置了一块尺寸为600 mm×600 mm×10 mm 的钢板。为了得到科学、合理的试验结果，对每种材料试验重复2 次，并且对典型试验结果进行分析。

图 6 试验布局Fig. 6 Experimental layout

2.3 试验结果的分析与讨论

炸药爆炸后产生的毁伤方式主要有冲击波毁伤和热毁伤等。其中，热毁伤主要通过爆炸火球参数进行表征，爆炸火球参数主要包括火球直径、持续时间、火球温度。此外，空气冲击波峰值超压能够反映空气中爆炸的特征[19]。基于此，对4 种不同壳体材料进行爆炸驱动试验，以便全面分析活性材料在爆炸驱动下的能量释放特性。

2.3.1 爆炸作用过程高速摄影观测结果

通过高速摄影记录的不同材料爆炸驱动下火球成形和演变情况见图7。试验结果表明，炸药爆炸后产生了明显火光。随着时间的增长，火光先增强再逐渐减弱。将初始出现火光的时间设定为零，可以发现爆炸驱动后，Al/PTFE 火光持续时间较长（15.4 ms），并在最后产生大量的黑烟；而Al2O3/PTFE 惰性材料，由爆炸产生的火光在1.4 ms 后迅速减弱甚至消失。Al/PTFE 火光持续时间约是Al2O3/PTFE 的11 倍（15.4/1.4）。另一方面，Al/Ni 在爆炸驱动下，55.6 ms 后火光消失，可见少量黑烟；而Al2O3/PTFE/W 惰性材料，随着时间的增长火光迅速消失，惰性材料向四周飞散，伴有白色雾状烟。Al/Ni 火光持续时间约是Al2O3/PTFE/W 的39.7 倍（55.6/1.4）。此外，通过高速摄影照片可以测量不同时刻火球直径。在0.2 ms时，Al/PTFE 和Al2O3/PTFE 火球直径分别为1 035.9、616.6 mm，前者比后者相对增大68%；Al/Ni 和Al2O3/PTFE/W 火球直径分别为428.8、394.1 mm，火球直径相差不大。

试验结果表明，活性材料均比惰性材料火光更强，这是因为活性材料在爆炸驱动的强加载条件下发生了化学反应，释放一部分能量，增强炸药爆炸产生的火光。另一方面，材料破碎后，爆轰产物冲出并将其包围起来，破碎的材料仍受到爆轰产物的推动，此时活性材料持续反应并释放能量，延长火光持续时间，增强火光亮度和增大火球直径。

2.3.2 爆炸作用过程温度场分布特点

试验中利用远红外热像仪测试不同材料爆炸驱动下温度场分布及辐射性能。图8 为不同材料装药爆炸过程中典型时刻的红外热像图。由图8 可知，炸药爆炸壳体材料及产物飞散区有明显的温度升高，且温度区域层次清晰。将热像图由内到外分为高温区、过渡区、低温区3 个区域，其中，红色为高温区，该区域主要集中在爆炸中心；最外层粉色为低温区，两者之间为过渡区。可以观察到，从20 ms 到30 ms的时间段中，不同材料的辐射面积和高温区域均减小。其中，惰性材料温度区域的连续性和亮度均明显降低。随着时间的增长，不同材料最外层的粉红色低温区域先消失，中心高温区域向四周扩散，重新呈现层次分明的温度区域，最终温度区域将减小直至消失。

图 7 不同材料爆炸驱动下火球成形和演变情况Fig. 7 Morphology and evolution of the fireballs for the four charges with different materials

图 8 不同材料特定时刻热像图Fig. 8 Thermal images of different materials at different times

图9 为不同材料爆炸驱动下的热像图随时间的变化。由图9 可知：5～20 ms 时，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 均形成稳定传播的热像图；20 ms 后，Al/PTFE 热像图温度区域缓慢减小，而Al2O3/PTFE 惰性材料的热像图温度区域迅速减小，直至消失。这是因为Al/PTFE 参与化学反应，并释放能量，增大炸药爆炸产生的辐射面积、高温区域，延长持续时间。

图 9 不同材料爆炸驱动下的热像图随时间的变化规律Fig. 9 Thermal images of different materials at different times under explosive loading

通过热像图测量了辐射面积，用于分析爆炸作用过程温度场分布及其随时间的变化规律。爆炸驱动下不同材料辐射面积及高温区辐射面积随时间变化曲线分别见图10～11。

图 10 辐射面积随时间变化曲线Fig. 10 Radiation area varying with time

图 11 高温区辐射面积随时间变化曲线Fig. 11 Radiation area of high temperature region varying with time

由图10 可知，4 种材料辐射面积随时间变化总体趋势一致，随着时间的增长，辐射面积减小。其中，惰性材料比活性材料辐射面积减小速度更快，惰性材料（Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W）辐射面积相差不大，二者吻合较好。5～20 ms 时，4 种材料辐射面积差距较小。超过20 ms 后，随着时间的增长，活性材料与惰性材料间的辐射面积差距逐渐增大。对于Al/PTFE 材料，其辐射面积在5～40 ms 内接近水平状态，没有明显的变化，40 ms 后辐射面积逐渐减小；55 ms 时Al/PTFE 辐射面积是Al2O3/PTFE 的5.3 倍，Al/Ni 辐射面积是Al2O3/PTFE/W 的8.6 倍。Al/Ni 材料在45 ms 前辐射面积缓慢减小，45～70 ms 时趋于水平，没有明显的变化。惰性材料的辐射面积始终处于减小状态。这是因为活性材料在爆炸驱动下，一部分材料持续反应并释放能量，形成稳定传播的辐射区域。结合图8 可知，随着时间的增长，活性材料在爆炸驱动下的辐射面积呈现更强的连续性，亮度更高，结构更饱满。对比图11 中4 种材料的高温区面积可以发现，活性材料（Al/PTFE 和Al/Ni）的高温区面积显著大于相应的惰性材料（Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W）的高温区面积。这是因为炸药爆炸瞬间，在爆轰压力的作用下，活性材料发生化学反应释放的能量对温度的升高产生了较大的贡献。

2.3.3 爆炸冲击波测试结果

由压力传感器测得的1.8 m 处活性材料与相应惰性材料压力-时间曲线见图12。由于Al/Ni 材料产生的碎片飞散到传感器上时使其损坏，因此未测到爆炸驱动下该材料空气冲击波峰值超压。

从图12 可知，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 压力随时间变化趋势相同。但是，Al/PTFE 材料空气冲击波峰值超压（43.3 kPa）高于Al2O3/PTFE 峰值超压（30.2 kPa）。Al/PTFE 材料空气冲击波正压作用时间（1.3 ms）、比冲量（9.7 N·s/m2）分别高于Al2O3/PTFE 正压作用时间（1.1 ms）、比冲量（4.8 N·s/m2）。这是因为活性材料在爆炸驱动下破裂并反应，破碎的材料持续反应并释放能量，对形成的爆炸波产生了强化作用。通过波的到达时间及峰值压力可以量化活性材料爆炸驱动下瞬间能量释放[20]。另外，Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W两种惰性材料空气冲击波峰值超压相差不多。

图 12 不同材料超压随时间的变化曲线Fig. 12 Overpressure-time curves of different materials

2.3.4 活性材料爆炸驱动空气冲击波强化效应

（1）活性材料爆炸驱动反应行为

不同材料碎片撞击钢板的试验结果见图13。从图13（a）和（c）可知：Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料在0.2 ms 时由于爆炸驱动作用已向四周飞散，爆炸中心处有明显火光，飞散的材料在到达钢板前未出现明显火光；1.6 ms 和18.4 ms 时，两种活性材料碎片已分别撞击右侧钢板，在爆炸中心及右侧钢板处均可观察到明显的火光，而在左侧相同位置处（无钢板）并未出现火光。图13（b）和（d）分别为惰性材料Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W 碎片在达到钢板前、后的试验现象，可以发现，两种惰性材料撞击钢板后未产生火光，且爆炸中心处的火光相对活性材料较弱。该现象说明，Al/PTFE 和Al/Ni 材料在爆炸驱动下未发生完全化学反应。炸药爆炸瞬间，在爆轰压力的作用下，仅有一部分活性材料参与反应并释放能量，在爆炸中心处可见火光明显增强。另一方面，未反应的碎片向四周飞散，在飞散过程中撞击钢板并有部分活性材料发生后续反应。

图 13 不同材料碎片撞击钢板的试验结果Fig. 13 Experimental results of fragments with ·different materials impacting steel targets

此外，对比图13（a）和（c）可知，炸药爆炸瞬间，Al/PTFE 材料产生的火光比Al/Ni 更强；而爆炸驱动下的Al/Ni 材料和Al/PTFE 材料撞击右侧钢板后，则出现相反的结果。该现象说明，在爆炸驱动作用下，Al/Ni 材料的反应延迟时间相对于Al/PTFE 材料更长，爆炸瞬间释放能量更少，在爆轰产物的推动过程中和撞击钢板后才逐渐释放能量，产生更强的火光。

（2）冲击波强化效应的分析计算

冲击波峰值压力是表征爆炸空气冲击波的主要参数之一。定义p 为空气冲击波阵面压力，p0为未经扰动时的空气压力，那么Δp=p−p0称为峰值超压。通常采用空气冲击波峰值超压经验计算公式[21]对爆炸冲击波压力随距离变化的规律进行描述：

对于活性材料引入带有能量释放的ω 方程形式：

式中：y 为反应度，M 为炸药质量，m 为活性材料质量，Qm为每克活性材料释放的化学能。

对于带壳装药爆炸[21]，Mi代替M：

式中：α=M/(m+M)，r0为初始壳体半径； γ 为空气的比热比，取1.4；rp0为壳体膨胀破裂半径，对于韧性材料，钢壳可近似取1.5r0，铜壳取2.24r0，脆性材料或预制破片此值应小些[21]。由文献[22]可知，材料的膨胀半径主要与屈服强度有关。综合分析，活性材料与惰性对比材料的膨胀半径近似取1.2 r0。

为了验证该经验公式的有效性，研究中对44 g 裸药柱、Al2O3/PTFE 分别进行了爆炸驱动试验。试验测得44 g 裸药柱爆炸后，在2.2 m 处的空气冲击波峰值超压为27.1 kPa，相应理论计算结果为25.3 kPa。试验测得Al2O3/PTFE 爆炸驱动下1.8 m 处冲击波超压为30.2 kPa，相应理论计算结果为31.7 kPa。理论计算与试验测试值误差小于6.5%，说明式（1）可以用于计算活性材料爆炸驱动空气冲击波峰值超压。

压电传感器测试爆炸参数见表2，其中，Qt为壳体总化学能。通过计算可知，若Al/PTFE 发生完全化学反应，其峰值超压应为85.9 kPa，而试验测得峰值超压为43.3 kPa，说明爆炸驱动下Al/PTFE 并未完全反应。将测得的Al/PTFE 空气冲击波峰值超压代入式（1），可以计算活性材料反应度为17.48%。

表 2 压电传感器测试爆炸参数Table 2 Test data by piezoelectric sensors

Guadarrama 等[12]开展了不同材料爆炸驱动下冲击波峰值超压试验研究，得到不同材料爆炸驱动形成冲击波峰值超压。运用本文中所改进的空气冲击波峰值超压经验式计算文献[12]的试验值，得到不同材料爆炸驱动下反应度，见表3。

表 3 不同材料在爆炸驱动下反应度计算结果Table 3 Calculation results of reactive efficiency of different materials under explosion loading

由表3 可知，活性材料在爆炸驱动下的反应度在17.39%～26.85%之间，说明爆炸驱动下材料仅释放一部分能量对爆炸冲击波产生一定的强化作用。试验结果在文献结果区间内，说明本文考虑活性材料释放化学能的冲击波峰值超压计算公式可以用于描述活性材料释放量对形成爆炸波产生的强化作用。

3 结 论

以Al/PTFE、Al/Ni 典型活性材料为研究对象，通过火球成形和演变情况、温度场分布、辐射面积、空气冲击波峰值超压、活性材料反应释放量对形成爆炸波产生的强化作用等，研究典型活性材料的能量释放特性，所得结论如下：

（1）爆炸驱动下，Al/PTFE 迅速发生化学反应，释放能量，延长火光持续时间，增大火球直径和温度场区域辐射面积。而Al/Ni 反应延迟时间相对于Al/PTFE 材料更长，在初始时刻与惰性材料的爆炸火光差异不大，但在爆轰产物的推动过程中逐渐释放能量，产生了比Al/PTFE 更大的火球。此外，两种材料在爆轰作用下产生的碎片撞击钢板后，并有部分活性碎片发生了后续反应。

（2）活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。试验测得Al/PTFE 材料空气冲击波峰值超压（43.3 kPa）远高于Al2O3/PTFE 峰值超压（30.2 kPa），通过本文中建立的活性材料空气冲击波峰值超压预测模型，证实了爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。