Ni-Al粉末药型罩侵彻特性研究

刘文赫，刘迎彬，吴育智，张超霞，张鑫慧，张 增

(1.中北大学 环境与安全工程学院， 太原 030051； 2.山西江阳化工有限公司， 太原 030041)

1 引言

反应结构材料(energetic structural materials，ESM)是一种具有结构和能量双重功能的特殊材料，既可以作为结构材料，也可以在被激发后发生化学反应产生能量，其已经成为了一种非常重要的金属基复合材料。这一材料在军事领域具有很广泛的用途，目前应用于反应破片(reactive fragment)和反应药型罩中。反应材料用作药型罩时，将传统惰性药型罩材料的动能侵彻效果和反应药型罩材料自身发生反应时释放的能量对靶板毁伤效果紧密结合在一起，对目标可以实施更好的打击，比惰性材料的侵彻效果更好。因此，反应药型罩的研究与开发对于现代武装战斗部的破甲能力提升具有重大的意义。近年来以Ni-Al、Fe-Al、Al-PTFE为代表的反应材料成为了研究热门。其中Ni-Al反应材料由于在高速冲击下可以发生化学反应并释放与TNT相当的热量，加上其理想的机械和物理性能以及高能量释放能力，且Ni-Al复合材料具有低密度，高熔点和高强度重量比等优点，成为了国内外学者关注和研究的重点之一。影响反应材料的力学性能和侵彻性能有很多因素，如制作方法、粉末粒径、颗粒形状、反应材料药型罩锥角、壁厚和炸高等。Wei等在Ni-Al反应材料中分别添加Cu和PTFE进行准静态压缩实验，对材料的力学性能进行了研究。张度宝等研究了Ni-Al金属反应材料的性能，制备了能量密度和强度俱佳的Ni-Al金属反应材料。郭焕果等用实验和模拟的方法研究了Al-PTFE反应药型罩聚能射流侵彻厚钢板，建立了反应射流弛豫时间和侵彻深度的模型，分析表明随着反应射流的弛豫时间增加，侵彻深度有着显著提高。乔良等对Al-W-PTFE进行了准静态压缩实验，通过对比分析得到材料组分、颗粒级配关系对强度的影响规律，其中金属材料颗粒粒径级配关系是决定材料强度的关键，颗粒粒径级配差异较大对材料强度有不利影响，但Al-PTFE反应材料密度和强度较低，其应用有所限制。孙淼等对比研究了Ni-Al和Cu-Ni-Al反应药型罩的侵彻性能并进行了微观分析，实验得出Cu-Ni-Al 反应药型罩穿深比Ni-Al反应药型罩增加了42%。张超霞等对比研究了Cu-Ni-Al和Cu反应药型罩的侵彻性能，Cu-Ni-Al 反应射流的穿深与Cu射流相比明显降低，但其平均入口孔径提高了33.3%。黄炳瑜等设计了一种Al/NiCu双层含能药型罩，与CuCu双层药型罩相比，对钢靶和混凝土靶的侵彻深度和侵彻体积都有显著提高。但目前对不同粉末粒径的Ni-Al反应药型罩的对比研究鲜有听闻。

本文通过粉末冶金法制备了不同Ni粉粒径的Ni-Al反应材料药型罩，在不同炸高下进行了静破甲实验，并用光学显微镜对不同粒径的Ni-Al反应材料药型罩的毁伤性能进行了分析，为反应材料药型罩的研究提供了一定的参考和帮助。

2 实验材料和方法

使用粉末冶金法制备药型罩，结合静破甲实验对Ni-Al反应材料药型罩侵彻性能进行研究。

2.1 药型罩制备

实验所用药型罩为Ni-Al反应材料，制备材料粉末为：6 μm Ni粉末由南宫市鑫盾合金焊材喷涂有限公司提供，28 μm Ni粉末由双赢合金材料有限公司提供，Al粉末由济南康正铝业有限公司提供，具体参数如表1所示。

表1 混合粉末参数

为使所用的药型罩有良好的化学反应性能，将不同尺寸Ni粉分别与Al粉按摩尔比1∶1混合，加入3‰的石墨和机油进行润滑和粘结(表2)。把粉末放入YXQM系列行星式球磨机正反式运行，单向运行时间为1 min，球磨机转速为180 r/min，混粉时间为20 min，将混合均匀的粉末放入真空干燥箱干燥24 h。

表2 Ni-Al反应药型罩参数

用模压法制备Ni-Al粉末药型罩，压制压力为16 MPa。所制得的药型罩为锥形见图1，锥角为47°，装药直径和药型罩直径均为44 mm(表2)。

图1 粉末药型罩实物图

2.2 侵彻实验

实验装药药柱选取8701炸药，装药密度为1.73 g/cm，靶材为45钢靶板，靶板的具体参数见表3。采用电雷管起爆，1、2、3、4炸高为60 mm，5炸高为90 mm，6炸高为120 mm。实验装置如图2所示，在相同的条件下进行侵彻实验。

表3 45#钢化学成分及含量

图2 侵彻实验装置图

在实验后对射流的穿深和孔径进行测量，并对实验后靶板进行回收，用电火花切割机沿孔中心线进行切割，结果如图3所示。对弹坑的头部和尾部进行取样，将样品沿平行于侵彻方向进行打磨和抛光，并用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，制备试样进行显微观测。

图3 Ni-Al 反应射流侵彻45#钢截面图

3 结果与分析

3.1 粒径对Ni-Al反应聚能射流毁伤结果与影响

1、2、3、4Ni-Al静破甲实验结果如表4所示。由表4可知，28 μm Ni粉粒径的Ni-Al聚能射流比6 μm穿深增加了55%。为了进一步探究，将靶板壁坑头部和尾部取样，在100倍光学显微镜下进行观测。图4为钢靶板孔壁头部的显微观测照片。

表4 药型罩侵彻深度和孔径

(a)(b) 6 μm粒径药型罩; (c)(d) 28 μm粒径药型罩(100×)

如图4所示，靶板组织形貌可分为：残余射流区、白色区、变形区和基体组织区。基体组织由珠光体和铁素体组成。聚能射流冲击靶板会使靶板发生形变，在高应变率下，靶板产生剪切带，越高的应变率或剧烈形变产生的剪切带就越宽。当聚能射流头部的冲击压力越大，温度升高就会越快，靶板孔壁头部就更容易受到影响。温度超过912 ℃时，基体组织区的铁素体发生相变成为奥氏体，随后射流能量耗尽，温度迅速降低，奥氏体发生相变成为马氏体。由于射流侵彻是微秒级，温度迅速降低使奥氏体相变不完全，即奥氏体和马氏体共存，产生白色区。如图所示，Ni粉粒径 28 μm时的残余射流区、白色区要比Ni粉粒径6 μm时宽。

图5为AXIO光学显微镜放大50倍下靶板孔壁尾部的显微观测结果。

如图5所示，2种粒径侵彻靶板的孔壁尾部都没有明显的变形区。靶板孔壁尾部的白色区比头部宽，分析认为在侵彻过程中Ni-Al聚能射流发生反应形成化合物时，释放了大量的热，导致尾部的白色区发生了严重的变形。Ni粉粒径28 μm比Ni粉粒径6 μm的白色区宽，这与靶板孔壁头部的情况一致，说明前者释放的能量要更多，扩孔效果更明显，这也和实验结果所吻合。

(a) 6 μm粒径药型罩; (b) 28 μm粒径药型罩(50×)

假设反应射流在弛豫时间内为惰性反应射流，在弛豫时间后开始反应，并在侵彻过程中忽略靶板强度，基于准定常理想不可压缩流体理论分析可得反应材料药型罩的侵彻性能与弛豫时间有很大的关系。由虚拟原点理论可得公式：

(1)

式(1)中：为射流侵彻深度，为炸高，(，)为虚拟原点的坐标，为弛豫时间，为射流密度，为靶板密度。

由式(1)可知，当实验中为固定炸高时，Ni-Al反应射流的侵彻深度与材料密度比和弛豫时间都有影响。

根据侵彻流体动力学理论，射流侵彻深度与射流长度和药型罩材料密度的平方根成正比。由Hill-Mott-Pack公式：

(2)

式(2)中:为侵彻深度，为射流长度，为射流密度，为靶板密度。侵彻深度与射流长度、射流和靶板密度之比的平方根成正比。在装药结构相同、药型罩形状基本不变的情况下，不同密度等质量药型罩的射流速度和长度基本相似。由表2可知，当Ni粉粒径不同时，Ni和Al等摩尔配比时所压制成型的药型罩密度不同，但其密度差距不大，当射流长度与靶板密度一定时，将不同密度代入式(2)可发现侵彻深度的增加较小，与实际情况不符，故密度不是穿深增大的主要影响因素。而反应材料的弛豫时间不仅受到冲击压力或爆轰动态载荷的影响，还与反应材料的种类、配比、粒径有很大关系。当Ni粉粒径为28 μm时，聚能射流的弛豫时间比粒径为6 μm时要长，导致形成化合物的时间延后，即会增加扩孔。

粉末颗粒尺寸相近的金属粉末不利于粒度级配，使药型罩密度不均匀，金属射流偏离轴线。相比于Ni粉粒径6 μm，Ni粉粒径28 μm与Al粉粒径6 μm的粒度级配更佳，所得的药型罩密度也会更均匀，孔隙度也会更小，射流密度和质量也会更好。同时，Ni粉粒径过小也会使侵彻过程中粒子飞散，6μmNi粉粒径所形成的射流比28 μm Ni粉粒径所形成的射流更容易断裂，造成穿深降低，这与文献[21]中的结论相吻合。

3.2 炸高对Ni-Al反应聚能射流毁伤结果的影响

相同情况下的Ni-Al反应材料药型罩分别在炸高为 60 mm、90 mm、120 mm进行静破甲实验，结果如表5所示。

表5 药型罩侵彻深度和孔径(mm)

分析认为炸高为60 mm时，在小炸高下反应材料药型罩形成的聚能射流没有拉伸完全，不能发挥全部的侵彻能力，导致穿深不足。当炸高为90 mm时，炸高高度增加，反应材料药型罩所形成的聚能射流继续拉长，使聚能射流充分发挥侵彻能力。当炸高为120 mm时，由于炸高过大，聚能射流碰靶的时间过长。而Ni-Al聚能射流本质上是聚能粒子流，导致反应材料药型罩形成的聚能射流伸长完全后径向分散，继续伸长导致射流不稳定甚至“断裂”，同样对其发挥全部的侵彻能力受限。且炸高过大时，聚能射流弛豫时间里的侵彻时间减少，使侵彻能力下降。而孔径随着炸高的升高先增大后减小，这是因为相同材料配比的聚能射流弛豫时间相同，在一定范围内炸高增大时，Ni-Al聚能射流转化成化合物的时间就越靠近侵彻靶板前期，使扩孔孔径随之增大；而炸高过大时，射流在侵彻靶板前就转化成化合物，能量提前释放，使扩孔孔径随之减小。因此，要想使Ni-Al反应材料药型罩的侵彻性能提升，不仅要考虑药型罩材料配比和粒径配级等，还需要考虑弹靶作用条件，使射流充分发挥动能和化学能。

4 结论

1) Ni粉粒径为6 μm和28 μm的Ni-Al反应药型罩对45钢靶板的平均穿深分别为76 mm和118 mm。相比于Ni粉粒径6 μm，Ni粉粒径28 μm的反应药型罩的穿深提高了55%。

2) 粒径会影响Ni-Al反应射流的弛豫时间，在Ni粉粒径为28 μm时会延长反应射流的弛豫时间，能够有效提高穿深。通过改变Ni-Al反应药型罩里Ni的粉末粒径可以有效提高药型罩的侵彻性能。

3) 炸高为60 mm、90 mm和120 mm时Ni-Al反应药型罩的穿深分别为78 mm、120 mm和60 mm。相比于60 mm和120 mm炸高，90 mm炸高时Ni-Al反应药型罩侵彻性能提高了54%和100%。随着炸高的增大，Ni-Al反应药型罩的侵彻性能先增大后减小，90 mm为最佳炸高，通过改变炸高可以有效的提高药型罩的侵彻性能。