典型反应性合金冲击释能量及耦合毁伤能力对比

李梅， 王璐瑶， 蒋建伟

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081)

0 引言

反应性合金在常温存储和弱刺激(如低速撞击)下呈现钝感金属的机械特性，在强刺激(如爆轰驱动、高速撞击等)作用下被激活并在短时间内释放大量化学能[1-3]。相对于传统的氟聚物基金属复合类反应材料，反应性合金具有更高的密度、强度和理论含能量[4]，进而在高效的动能和化学能耦合毁伤领域受到广泛关注。

目前典型反应性合金分为3类：非晶合金类(RMAA)[5-6]、传统合金类(RMTA)[7-8]和高熵合金类(RMHEA)[9-10]。研究结果显示：RMTA内部原子呈无序排列，宏观表现为低塑性，在拉压载荷下极易发生剪切破碎[5-6]，是一种高强度脆性材料，在冲击载荷下断裂模式有沿晶断裂和穿晶断裂两种[7]；RMHEA是目前公认的3类反应性合金中强度最高、韧性最好的材料[9]。实验证明，上述3种反应性合金在强冲击下均能够释放化学能，表现为材料碎裂后的持续燃烧现象[5-9]。研究人员前期对氟聚物基金属反应材料采用准密闭容器测压装置对其冲击释放的化学能总量进行测试，证明冲击速度越高时样品碎裂程度越高，对应的化学能释放量越高[10-11]。在对惰性金属靶后碎片的动能毁伤能力研究过程中，发现碎裂程度过高的碎片云，其动能毁伤能力显著低于相同撞击速度下碎裂程度较低的工况[12]。由此可见，反应性合金冲击释放的化学能和动能之间是相互促进、彼此制约的关系。现阶段研究人员常采用通过准密闭容器测得化学能后与实测样品动能进行叠加的方法，来评估反应性合金样品靶后燃烧碎片云(BDC)耦合毁伤能力[13-15]，但这种评估方法并不严谨，且模糊了动能和化学能分别对耦合毁伤能力的贡献程度和毁伤机制，导致现阶段研究人员无法根据待毁伤目标特性，合理选择出毁伤效能最优的反应性合金样品材料。

考虑到前人研究结果中冲击速度越高时化学能释放效率越高，本文选用弹道枪驱动RMAA、RMTA和RMHEA 3种反应性合金样品，以最大可实现速度1 500 m/s，分别对准密闭容器测压装置和靶后间隔靶开展毁伤效能评估实验。基于实验结果对比样品间冲击释能行为和对间隔靶毁伤能力的差异，及动能和化学能在毁伤过程中的实际作用机理。

1 实验方法

为对比研究现阶段3类典型反应性合金样品的冲击释能行为和耦合毁伤能力，明确其动能和化学能分别对耦合毁伤能力的贡献机制，选用准密闭容器对样品的冲击释能量进行对比研究，选用间隔靶对比评估样品冲击激活后的耦合毁伤能力。

1.1 实验样品

实验中选用等体积的3类反应性合金样品作为研究对象。表1所示为3类样品的理化性能参数。

表1 实验样品理化性能参数

1.2 冲击释能量测试系统

图1所示为反应性合金样品冲击释能量测试系统及工作原理的示意图。选用27 L准密闭容器作为测试系统主体。容器前面板为2 mm厚LY12铝板，后面板为硬质砧板，容器内壁安装准静态压力传感器。

图1 反应性合金样品冲击释能量测试系统及工作原理Fig.1 Schematic diagram of impact energy release test system and its working principle for reactive metal samples

采用弹道枪驱动样品，样品在飞行过程中与弹托发生分离后，沿既定弹道迹线稳定飞行。采用多层间隔靶网和山东宗德机电设备有限公司产测速仪组成的速度测试系统，对样品的飞行速度进行监测，保证3类样品撞击容器的速度均控制在1 500 m/s±30 m/s范围。

样品撞击前面板后进入容器内部，在高速撞击后面板过程中被激活，并释放化学能。定义样品在前面板上形成的穿孔为泄压孔。少量化学能从泄压孔流失到外界空气中，剩余化学能产生的热量转换为容器内能。通过容器内壁传感器记录得到的压力变化情况，表征样品冲击释能对容器做功的化学能总量。

1.3 耦合毁伤能力测试系统

图2所示为反应性合金样品的耦合毁伤能力测试系统示意图。与图1的驱动和测速装置保持一致，采用间隔靶(0～3号靶)进行样品的冲击激活和耦合毁伤能力测试。间隔靶的选取参考国家军用标准GJB 767—1989小口径炮弹对飞机、直升机毁伤试验方法中带防护直升机目标等效靶标的材料和类型。其中：0号靶为6 mm厚Q235钢板，1～3号靶均为3 mm厚LY12铝板。前期对反应性合金样品的冲击释能行为研究发现：样品撞击0号靶被激活后，在靶板后500～700 mm位置处的释能区体积达到最大值[16]。为对比该状态下3种反应性金属的毁伤能力差异，靶板之间的间距L1和L2分别为500 mm和80 mm.

图2 反应性合金样品耦合毁伤能力测试系统Fig.2 Schematic diagram of coupling damage ability test system for reactive metal samples

选用日本PHOTRON公司产FASTCAM-Z型高速摄影仪，对样品撞击0号靶后的冲击释能行为和BDC对1～3号靶的耦合毁伤行为进行观测记录。高速摄影仪的拍摄频率为105帧/s.

2 实验结果

2.1 样品冲击释能量对比分析

图3所示为反应性合金样品在准密闭容器前面板上产生的泄压孔照片，其中圆形穿孔由样品造成，不规则穿孔由弹道枪发射过程中用到的尼龙弹托造成。由图3可见，两类穿孔周围均出现了黑色熏黑痕迹，证明样品在容器内被激活后产生的高温高压气体和反应产物确实从穿孔向外界流失。采用图像二值处理方法对图3进行识别处理，获得RMAA、RMTA和RMHEA样品对应的穿孔投影面积，分别为6.78 cm2、12.66 cm2和9.22 cm2.

图3 前面板上的穿孔照片Fig.3 Penetrating holes on the front panel of a quasi-closed container

图4所示为反应性合金样品在准密闭容器内释放化学能导致的压力- 时间变化曲线。由图4可见：样品高速撞击硬质砧板的瞬间被激活，容器内压力从标准大气压迅速增加到峰值压力，历时t1，此阶段中样品的释能速率远高于从泄压孔流失的能量速率；随后压力从峰值压力下降至标准大气压，历时t2，此阶段以泄压为主。

图4 准密闭容器内的压力- 时间曲线Fig.4 Pressures in quasi-closed container

2.2 样品耦合毁伤行为对比分析

表2所示为反应性合金样品撞击间隔靶的冲击释能行为和耦合毁伤行为的高速摄影照片。定义样品撞击0号靶瞬间时刻t=0 ms.3类样品在撞击0号靶时均被激活释放化学能，表现为撞击碎裂后产生的碎片云呈现持续燃烧状态。3类样品产生的BDC对1～3号靶板进行了不同程度的扩孔。

表2 反应性合金样品冲击释能和毁伤过程的高速摄影照片

由表2可见：RMAA和RMHEA在0号靶前存在大量持续燃烧的反向溅射碎片，RMTA在0号靶前的燃烧火光仅持续了0.2 ms，表明RMAA和RMHEA样品自身携带的动能和化学能在0号靶前存在大量消耗的现象；3类样品在0号靶后的BDC轮廓均呈现逐渐膨胀的椭球状形貌，表明化学能伴随着碎片云的运动，逐渐释放在碎片云经过的不同位置处。

表3、表4、表5分别为3类反应性合金样品对1～3号间隔靶的毁伤形貌照片。

表3 RMAA样品对间隔靶的毁伤形貌

表4 RMTA样品对间隔靶的毁伤形貌

表5 RMHEA样品对间隔靶的毁伤形貌

3 分析和讨论

3.1 冲击释能行为异同

鉴于反应性合金样品在激活过程中可能发生的合金化反应和氧化还原反应，在理论上无气体产物生成，故容器内准静态压力的增量完全取决于样品冲击释放的化学能总量。在将压力值等效为冲击释能量前，做出如下假设：

1)测试过程中容器自身应变导致的体积变形忽略不计；

2)样品释放的能量对容器内空气进行均匀加热。

样品的释能速率[12]可表示为

(1)

式中：U为反应性合金样品的实际释能量；V为容器体积；γ为理想气体绝热指数，取值1.4；pc为容器内压力。

用pf表征泄压孔边缘的外界压力，当pc和pf满足等熵流判别公式时，泄压孔喷出的气流速度与pc无关，否则从泄压孔喷出气体的流速与pc正相关：

(2)

式中：A为样品在准密闭容器前面板上造成的穿孔面积。

图5 反应性合金样品化学能释放量和容器内能 增量曲线Fig.5 Curves of chemical energy release of reactive metal sample and energy increment in container

表6 典型反应性合金样品的冲击释能参数

由表6可见：相同加载条件下，反应性合金样品的实际释放化学能总量排序为RMHEA>RMAA>RMTA，理论释放总能量排序为RMHEA>RMAA>RMTA，化学能释放效率排序为RMAA>RMTA>RMHEA；样品释能效率的排序与其抗压能力F的排序吻合，证明了反应性合金在冲击加载下的碎裂程度越高，释能效率越高；3类样品冲击释能两阶段对应时间t1和t2的取值量级相近，证明其反应速率相近。

3.2 耦合毁伤能力分析

从图4的高速摄影照片中可知，反应性合金样品在高速撞击0号靶时，在靶后形成的碎片云呈现持续燃烧状态。前期研究[16-18]指出，碎片云的燃烧是由于其激活后释放化学能导致云区周围的热量骤增，碎片颗粒中的锆、钛金属元素在高温作用下呈现固态燃烧现象。此外由于高速摄影中碎片云具有一定的靶后剩余速度，证明云区中的碎片颗粒具备动能毁伤能力。为获得BDC所携带的动能和化学能，分别对间隔靶毁伤效果的贡献程度，对动能和化学能进行解耦处理。

3.2.1 动能毁伤能力

为评估BDC的动能毁伤能力，对其从0号靶后萌生、运动至1号靶过程中的轮廓进行识别处理。由于RMAA在冲击时碎裂程度最高、化学能释放效率最大，且配方中的Zr、Ti为强闪光燃烧剂，多次重复试验中高速摄影的视场均处于过曝光状态。因此仅对RMTA和RMHEA两类样品的BDC轮廓进行识别处理，结果如图6所示。图6中，x为BDC运动距离，y为BDC纵向分布，z垂直于Oxy平面。

图6 特定时刻下BDC的边缘轮廓图Fig.6 BDC edge contour map at a typical moment

图6(a)中：RMTA对应的BDC从撞击0号靶(t=0 ms)到撞击1号靶(t=0.5 ms)过程中，一直处于自撞击点膨胀生长的状态。图6(b)中：RMHEA对应的BDC在t=0.5 ms之前处于自撞击点膨胀生长状态(黑色实线)，在t=0.6～1.0 ms区间内，BDC远离与0号靶的撞击点，且长短轴比值和运动速度保持恒定(红色实线)。从图6中可知：RMTA和RMHEA对应BDC撞击1号靶前的头部速度分别为1 390 m/s和300 m/s. 如此显著的速度差是由于RMHEA具有更高的准静态抗压能力，样品在冲击0号靶过程中自身碎裂、消耗了更多能量。另一方面样品未完全碎裂、产生的大颗粒碎片在靶后运动过程中受到了更高的空气阻力。基于Swift理论[19]和前人对球体撞靶后碎片云的X光照片[20]可知，BDC中碎片颗粒并不是均匀地分布在椭球轮廓内，而是近似均匀地分布在椭球壳体上。为便于对比研究，忽略0号靶前产生的碎片，假设样品碎片全部填充在BDC中。对Oxz平面切片上颗粒沿y轴的分布进行统计，切片间隔为0.1 cm，统计结果如图7所示。

图7 BDC在Oxz切面上碎片质量沿y轴分布规律Fig.7 Distribution of debris mass along y axis of BDC on Oxz section

图7中直径为2yi的环向上累积碎片质量为2mi.基于THOR侵彻理论[21]，当碎片速度满足(3)式、(4)式时，该部分颗粒可以贯穿1号靶。

v≥v50=k(hA)α(2mi)β，

(3)

(4)

式中：v为碎片速度；v50为环向上碎片的临界穿透速度；h为靶板厚度(cm)；B为碎片环与1号靶的接触面积(cm2)；k、α和β为靶板材料参数，当靶材为铝时k、α和β分别取值为2 852、0.903、-0.941.

图8所示为BDC中沿y轴方向每隔0.1 cm取Oxz平面切片中颗粒穿透1号靶所需的极限穿透速度。由图8可见：当v50=300 m/s时，RMHEA的动能毁伤区域直径yRMHEA=36 mm；当v50=1 390 m/s时，RMTA的动能毁伤区域直径yRMTA=136 mm.

图8 BDC在Oxz切面上碎片的极限穿透 速度沿y轴分布规律Fig.8 Curves of limit penetration velocity of BDC debris along y direction for pentrating 1# target

3.2.2 化学能毁伤能力

对表3～表5中间隔靶的实际毁伤面积进行图像二值化处理，结果如图9～图11所示。图9～图11中：φi为大穿孔外接圆直径，φo为不连通穿孔的最大外接圆直径。表7所示为BDC对间隔靶的毁伤参数值，其中：BDC的动能对1号靶的理论穿孔面积记为SE；BDC的耦合能量对1～3号靶的实际穿孔面积记为S1、S2和S3；φ为BDC携带的化学能对1号靶毁伤能力的贡献率，φ=(S1-SE)/S1.

图9 RMAA样品对间隔靶毁伤面积的二值化图像 (1～3号靶，黑色区域为靶板上的贯穿孔)Fig.9 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMAA sample (black area is perforating hole on target plate)

图10 RMTA样品对间隔靶毁伤面积的二值化图像 (1～3号靶，黑色区域为靶板上的贯穿孔)Fig.10 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMTA sample (black area is perforating hole on target plate)

图11 RMHRA样品对间隔靶毁伤面积的二值化图像 (1～3号靶，黑色区域为靶板上的贯穿孔)Fig.11 Binary images of the damaged areas of 1-3# targets by RMHEA sample (black area is perforating hole on target plate)

从表7中可知：

表7 典型反应性合金样品BDC的毁伤参数

1) 样品对间隔靶的实际毁伤能力排序为RMTA>RMAA>RMHEA，与样品理论上所释放出的总能量Es排序不同。这是因为Ames准密闭容器测得化学能释放量是样品被激活后所能释放出的所有化学能，但高速摄影照片显示样品的BDC剩余速度不可忽视，样品释放的化学能伴随着BDC的运动逐步释放在运动轨迹所经过的不同空间位置处。对间隔靶的毁伤能力主要取决于BDC撞击间隔靶瞬间，所剩余动能和化学能的毁伤能力，因此需要结合目标特征和其空间位置进行毁伤评估分析。

2) 反应性合金样品的综合毁伤面积远大于理论计算的动能毁伤面积，表明化学能确实具备动能增强毁伤能力。化学能释放效率更高但化学能释放量偏低的RMTA样品，其化学能对毁伤能力的贡献率高于RMHEA样品。因为RMTA靶后破碎程度较高，相比RMHEA样品的BDC中容易被激活的小颗粒占比更高。

3) RMAA和RMHEA产生的BDC在1号靶上产生的中心除圆形穿孔外，还有多个分布在环形上的不连通穿孔。不具备动能穿孔能力的样品颗粒在靶板上产生的不连通穿孔，证明了化学能增强动能毁伤效果确实存在。另一方面，穿孔之间彼此不连通，表明BDC边缘区域颗粒的空间分布密度远低于椭球中心区(见图7)。RMTA在1号靶上中心穿孔为长条形，可以认为1号靶穿孔的短边上本应分布不连通穿孔，但由于颗粒的动能和化学能过高，使穿孔得以连通，形成撕裂状毁伤模式。

4) RMAA和RMTA样品对1～3号靶的毁伤面积逐次减小，表明样品的能量在被逐渐消耗。但RMHEA在2号靶的穿孔面积高于1号靶，进一步证明了其在相同撞靶条件下的碎裂程度和激活程度最低，在穿过1号和2号靶后BDC中的大颗粒碎片被二次激活。

4 结论

本文为对比研究典型反应性合金的耦合毁伤能力，采用弹道枪驱动的方式，开展了RMAA、RMTA和RMHEA反应性合金样品对准密闭容器和间隔靶毁伤实验。得出主要结论如下：

1)反应性合金样品的耦合毁伤能力与它所能释放的动能和化学能的总量无关。样品的化学能随着激活后燃烧态碎片云的运动，在不同空间位置处被消耗。样品的冲击释放化学能效率是影响化学能对毁伤能力贡献度的重要指标。

2)反应性合金样品的冲击释能行为与其准静压态抗压能力正相关。抗压强度越高的反应性合金在冲击下碎裂程度越低，化学能释放量和释放效率也相应是最低的。

3)相同冲击速度下，3类反应性合金样品的冲击释能时间均在0.1 ms以内；化学能释放效率排序为RMAA>RMTA>RMHEA，化学能实际释放量排序为RMHEA>RMAA>RMTA，对间隔靶毁伤能力排序为RMTA>RMAA>RMHEA.