非晶态Al-PTFE反应材料制备及压缩力学性能研究

李剑斌，马玉松，盖希强，张开创，马士洲，张兴高

(军事科学院防化研究院， 北京 102205)

1 引言

反应材料由于兼具结构属性和释能特性，近年来成为含能材料领域的研究热点。国内外学者从配方组分、制备工艺、力学性能、释能特性以及反应机理等方面对氟聚物基反应材料进行了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果，特别是对铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)反应材料的研究尤为深入，由于Al-PTFE反应材料反应能量密度高、制备成本较低、稳定性较好的特性，在军事领域应用(如航空反导、高温-动能复合打击、未爆弹销毁等)具有广阔的前景。然而由于Al-PTFE反应材料的强度和密度较低，使得其在应用过程中存在一定的局限性，要解决该反应材料在应用方面的限制，必须保证材料具备良好释能特性下，进一步提高材料的强度和密度。目前，在Al-PTFE反应材料的研究中，基本上通过在Al-PTFE粉末中添加W、Ni等金属粉末或添加FeO等金属氧化物粉末，以此提升材料的密度和强度，但这些材料均为晶态结构材料，采用非晶结构材料的研究还较少。当前，南京航空航天大学潘剑锋对非晶态氟聚物基反应材料的释能特性进行了研究，但未对材料的力学性能进行研究。

非晶态Al基合金比晶态Al基合金具有更加优异的力学性能和化学反应驱动力，且非晶态合金在晶化过程中能够释放一定的能量更加增强了反应材料的释能特性，提高其毁伤效果。本文通过模压烧结工艺制备出非晶态Al-PTFE试件，并开展了非晶态Al-PTFE反应材料在准静态和动态压缩条件下的力学性能的研究，旨在解决当前Al-PTFE反应材料自身强度偏低的问题，为下一步的应用研究提供支撑。

2 实验

2.1 样品与试件制备

通过雾化法制得AlNiYCoLa(at.%)非晶合金粉末，AlNiYCoLa非晶合金粉末、Al粉以及PTFE粉末的平均粒径均为25 μm。根据Al与PTFE反应方程式与Ni与PTFE反应方程式：

4Al+3(-CF-)→4AlF+6C

2Ni+(-CF-)→2NiF+2C

制备5种不同配比的Al-PTFE试件，其配方如表1所示。

将AlNiYCoLa非晶合金粉末和PTFE粉末加入无水乙醇，采用机械搅拌的方法对混合溶液充分搅拌，使2种粉末均匀混合，然后置于真空干燥箱(保温55 ℃，时长24 h)中进行干燥，将干燥后的混合粉末过筛(60目)得到均匀的物料，将适量物料置于模具中通过液压机压制成Φ8 mm×8 mm、Φ8 mm×6 mm的圆柱形试样分别用于准静态压缩和动态压缩实验，将2种规格的预制件置于管式炉(烧结温度为330 ℃，烧结时长4 h，升降温速率均为50 ℃/h)中进行烧结，其制备工艺流程见图1。

表1 样品配方

图1 非晶态Al-PTFE反应材料制备工艺流程框图

2.2 仪器

液压机(Y/TD71- 45A，天津锻压机床厂)；真空干燥箱(DZF-6020，上海一恒科学仪器有限公司)；管式炉(SGL-1700-Ⅱ，上海钜晶精密仪器制造有限公司)；万能试验机(MTS E43.504)；分离式霍普金森压杆(ATL1500，阿基米德工业科技有限公司)。

2.3 压缩力学性能测试

准静态压缩力学性能测试采用万能试验机进行测试。测试之前，在Φ8 mm×8 mm试样的2个端面涂抹适量的凡士林以减小压缩过程中的摩擦。万能试验机的压头按照4.8 mm/min的速度缓慢对试样施加压力，对应试样的应变率为0.01/s。

动态压缩力学性能采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行测试，高应变率下从失稳和应力波传播角度考虑，试样的长径比介于0.5～1，试样尺寸为Φ8 mm×6 mm。

3 结果与讨论

3.1 Al86Ni6Y4.5Co2La1.5非晶粉末的表征

通过对AlNiYCoLa非晶粉末进行电镜扫描和XRD分析。图2为AlNiYCoLa非晶粉末球形度、显微形貌。从图2可以看出，颗粒球形度良好，视场内基本均为球形粉末，粉末平均粒径为25 μm。图3为AlNiYCoLa非晶粉末XRD衍射图谱。从图3可以看出，衍射图谱上40°～50°仅有宽泛的非晶态衍射峰，没有明显尖锐的晶态衍射峰，说明粉末为完全非晶态，非晶度良好。

图2 Al86Ni6Y4.5Co2La1.5非晶粉末球形度、显微形貌

图3 Al86Ni6Y4.5Co2La1.5非晶粉末XRD衍射图谱

3.2 压缩状态下的力学性能

3.2.1 准静态压缩实验

采用万能试验机对5种试样(1#，2#，3#，4#，5#)进行准静态压缩测试，试件在受到应变率为0.01/s压缩后，其形貌如图4所示。从1～4#试样的变形形貌可以看出，随着反应材料成分中AlNiYCoLa非晶粉末含量的增加，材料的抗压能力逐渐降低。1#试件受压后变为直径约13.2 mm的圆饼状，周围有2处裂口，综合的抗压能力较好；2#试件受压后变为直径约13.4 mm的圆饼状且四周出现5处裂口；3#试件受压后被完全压碎，裂纹较多；4#试件因PTFE含量最低，无法将AlNiYCoLa非晶颗粒完全包覆，在试件受压过程中，填充颗粒与基体颗粒很容易发生分离现象，因此试件在较小变形情况下(直径约9 mm)很快出现沿轴向方向呈一定角度的裂纹并失效。5#试件中PTFE含量与2#试件相当，其变形形貌也跟2#试件类似，但5#试件压缩变形后成为直径约13.7 mm的圆饼，在失效状态下变形大于2#试件。

图4 试件压缩后的形貌

试件准静态压缩下真实应力-应变曲线如图5，有关力学性能参数见表2。

图5 准静态压缩下试件真实应力-应变曲线

表2 准静态压缩力学性能参数

从图5可以看出，试件压缩强度随着PTFE含量的增加而逐渐增大，而弹性模量基本保持不变，这是由于弹性变形主要由PTFE基体中较软的无定型态部分承担，主要表现为无定型态非晶区的层间滑移，这一过程是可逆的，因此，5种试样的弹性模量基本相当。在非晶态Al-PTFE反应材料中，PTFE是主要的受力组分，4#试样中Al基非晶粉末含量占44%，56%的PTFE不能将AlNiYCoLa非晶颗粒完全包覆，因此试件受压后没有强化阶段，仅经历弹性阶段便失效，材料的压缩强度只有23 MPa，失效应变仅有0.06。随着试件中AlNiYCoLa非晶颗粒含量的减少，PTFE含量的增加(3#，2#，1#)，AlNiYCoLa非晶颗粒在PTFE基体中分布更加均匀，基体与增强相颗粒之间结合更加紧密，金属颗粒的填充能够对PTFE基体起到良好的增强作用，因此材料压缩强度逐渐增大，总体力学性能更优。观察2#和5#试样可知，试样成分中含有相同含量的PTFE，但两者的压缩强度分别为102.1 MPa、93.2 MPa，相差8.9 MPa左右，这是因为增强相AlNiYCoLa非晶颗粒的力学性能优于Al颗粒，因此2#试样的力学性能更优。

从实验结果可知，试件力学性能对Al基非晶粉末含量变化敏感，金属粉末占比为14%～34%时，失效应变为1.17～1.23，随金属粉末含量变化不大，而压缩强度由103.1 MPa降低到83.9 MPa，随Al基非晶粉末含量增加而降低。同时比较5#和2#试件，配方中相同Al粉和Al基非晶粉末含量下，试件的压缩强度从93.2 MPa提升到102.1 MPa，压缩强度提升9.5%。

3.2.2 动态压缩实验

采用SHPB对1～5#试样进行动态压缩测试，试件在受到应变率为1 800/s压缩后，其真实应力-应变曲线如图6，有关力学性能参数见表3。

图6 动态压缩下试件真实应力-应变曲线

表3 动态压缩力学性能参数

从图6可以看出，与试件在准静态压缩条件下的表现类似，压缩过程中试件经历了弹性阶段，强化阶段和破坏阶段。1～5#试样在弹性阶段承受的压力主要由PTFE基体承担，因此弹性应变基本相同，均为0.02；随着应变的增大，4#试样由于PTFE含量较少，无法对Al基非晶颗粒均匀包覆，随即失效，其余4种试样进入强化阶段，在高分子基体和金属颗粒增强体的双重作用下，材料应力不断增大，其中PTFE分子链存在塑性增强过程，起到整体支撑作用，Al基非晶颗粒作为增强体也承受部分压力；随着形变的增大，基体与增强体之间发生位移变化，由于金属颗粒硬度较大，位移变化过程中会破坏基体，形成微裂纹，随后试件失效。与准静态压缩相比，动态压缩过程较短，材料失效应变仅为0.3左右，因此压缩过程中机械能转变为热能后，基本不与外界进行热量交换，当热能集聚达到材料的反应阈值后，便会发生爆燃反应。

从实验结果可知，动态压缩条件下，1～4#试样的压缩强度和失效应变随金属颗粒含量的增加而减小，从图6和表3可以看出，对比2#和5#的动态压缩实验结果，与准静态实验结果相似，相同制备条件下，采用AlNiYCoLa非晶粉末的反应材料压缩强度更优，压缩强度提升12.4%。

4 结论

1) 随着AlNiYCoLa含量的增加，非晶态Al-PTFE反应材料的压缩强度逐渐减小，特别是当AlNiYCoLa含量为44%时，PTFE无法将AlNiYCoLa非晶颗粒完全包覆，在受压过程中，仅经历弹性阶段便失效。而随着PTFE含量的增加，高分子基体能够将金属颗粒增强体包覆更均匀，材料压缩强度逐渐增加。

2) 相同制备条件下且PTFE含量相同时，非晶态Al-PTFE反应材料压缩强度优于常规Al-PTFE反应材料，采用非晶态铝，在准静态和动态压缩条件下反应材料的压缩强度分别提升9.5%和12.4%左右。