PTFE/Ti/W含能材料爆炸冲击反应特性研究

作为一种新概念高效毁伤元,PTFE基含能材料不仅可以对目标实现动能侵彻毁伤,还可在冲击条件下发生化学反应,产生内爆效应,从而提高毁伤效能.文中通过试验方法研究了不同W质量分数PTFE/Ti/W含能材料在炸药爆炸冲击加载条件下的化学反应特性,并与不含活性Ti的惰性PTFE/W材料进行对比.采用狭缝装置及高速摄像系统记录了含能材料的冲击反应过程,利用试验测量数据计算了含能材料的动力学参数,并讨论了不同材料的反应释能差异.结果表明,PTFE/Ti/W含能材料在炸药驱动下的化学反应具有非自持性,传播距离、W粉质量分数及孔隙度对反应释能影响显著.     

铝热剂填充改性PTFE/Al含能材料实验研究

为了提高PTFE/Al含能材料的力学特性,利用铝热剂对零氧配比的PTFE/Al含能材料进行了填充改性,并对改性后的含能材料进行了准静态压缩实验,获得最优配比.利用最优配比制备了含能破片,采用25 mm口径弹道炮进行发射,通过高速摄影仪记录破片的冲击过程.试验结果表明,改性后的PTFE/Al力学强度约为纯PTFE/Al的1.3倍,在1 084~1 667 m/s的撞击速度下伴有猛烈的爆炸作用,证明新材料具有可靠的冲击起爆特性,穿甲孔径比为1.91~2.54.     

碳纤维对PTFE/Al反应材料动态力学行为和点火特性影响研究

本研究旨在探讨短切碳纤维（carbon fiber ,CF）单丝对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)反应材料动态力学和点火特性的影响. 首先,制备了PTFE/Al和PTFE/Al/CF反应材料,开展了材料的动态力学性能测试,获得了力学性能与点火参数,记录了冲击压缩过程. 结果表明,添加CF导致PTFE/Al材料的弹性模量大幅降低,弹性模量因子的应变率效应与失效应变因子的应变率效应降低. 在此基础上,分析了不同CF质量分数对反应材料的冲击压缩过程与回收试件、冲击点火速度（应变率）阈值的影响. 结果表明,纤维通过固结强化作用,低CF质量分数的PTFE/Al/CF试件具有较好的抗动态压缩性和能量吸收效果. 随着CF质量分数的提高,TFE/Al/CF反应材料速度（应变率）点火阈值降低,反应强度和反应时间有提高. 为碳纤维填充改性PTFE/Al反应材料的设计和冲击应用提供参考.     

冲击载荷作用下Al/PTFE活性材料的非均相化学反应模型

为了描述铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料冲击反应的能量释放行为,建立了可用于计算冲击引发化学反应行为的非均相化学反应动力学模型。在准密闭反应容器中进行了活性材料的冲击释能实验,测量了活性材料在800～1 200 m/s冲击速度下的冲击反应压力和能量释放持续时间。在非均相化学反应动力学模型中,考虑反应物初始冲击温度、颗粒粒径、反应增长速率和界面间的传质过程,对Al/PTFE活性材料的反应行为和能量释放特性进行了计算。反应行为计算结果表明,在500～1 700 K初始温度区间,Al/PTFE活性材料的完全反应时间随初始温度的升高可以从s级减小至ms级。在相同初始温度下,随着金属颗粒尺寸增大,完全反应时间增加。界面化学反应对反应时间的贡献占比为50%～96%,表明界面化学反应是Al和PTFE间反应的主要控速步骤。能量释放特性的计算结果在趋势上符合实验结果,验证了非均质模型的合理性。     

Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究

针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题,基于AUTODYN软件的二次开发功能,编写了适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序,实现了对活性材料弹丸在高速侵彻过程中爆燃反应行为的数值模拟.通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性破片的形貌演化规律,以及粒子反应度、温度、压力等参量随时间的变化曲线,进而实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析. 结果表明,反应度随时间的变化趋势与试验中活性材料弹丸释能发光的变化趋势一致,温度计算与先前试验结果相符,说明该数值模拟方法可以很好地反映Al/PTFE活性材料弹丸在高速撞击过程中的冲击/爆燃释能过程.      

爆炸烧结中多孔材料等压推广冲击状态方程

针对多孔材料在高速冲击下的孔隙闭合特征推导出计入熔化效应的反映孔隙塌缩的p-α(压力-孔隙度)关系式;从密实体的冲击绝热方程出发,利用密实体的冲击雨贡尼奥(Hugoniot)数据沿等压线推广得到了多孔体的冲击状态方程.利用计入熔化效应的p-α关系式和等压推广的多孔材料冲击状态方程计算了多孔铁粉的p-v(压力-比容)和D-u(冲击波速-质点运动速度)关系,计算结果同冲击压缩实验数据符合良好,除个别实验点外,相对误差均小于4%,证实该方程有较好的计算精度.     

活性材料冲击压缩及反应行为模拟方法研究进展

近年来,以含能结构材料、含能非晶合金、含能高熵合金等为代表的活性材料受到广泛关注. 由于兼具结构强度特性和冲击反应释能特性,活性材料在高效毁伤和防护领域有十分重要的应用前景. 其中,活性材料的冲击压缩响应行为及反应释能特性是该类材料设计和应用中关注的重点,研究人员在考虑其冲击反应行为的数值模拟方法上开展了大量的研究工作. 本文基于活性材料宏观反应行为受微/细观结构特性控制的特点,从不同时空尺度对活性材料的冲击压缩及反应行为数值模拟方法的研究现状进行了综述,系统梳理了分子动力学模拟、冲击压缩特性细观模拟、冲击反应行为跨尺度模拟、冲击压缩及反应行为宏观尺度模拟方法等4个方面的研究进展. 总结认为,活性材料的冲击压缩动力学响应特性数值模拟及冲击反应特性宏−细观尺度关联机制的研究已取得了较大进展,考虑反应弛豫时间和非自持反应特性的点火模型在宏观尺度数值模拟中得到发展与应用. 但是,目前数值模拟中关于反应诱发后活性材料动力学行为的描述主要基于火/炸药等典型含能材料的本构模型,仅能实现对活性材料冲击反应行为的表观呈现,而对活性毁伤元作用过程关键参数的精确预测仍存在一定差距. 因此,建立准确描述活性材料撞击点火、反应发展、释能做功过程的全时域理论模型,基于此发展该类材料冲击反应行为高可靠性数值模拟技术,是实现活性材料冲击反应释能特性调控和工程化应用的关注焦点.     

一种反应材料制备及准静态力学特性研究

采用热压烧结法制备Zr/W/PTFE反应材料,利用扫描电镜和材料试验机研究其在常态下的微观组织和准静态压缩力学性能;研究结果表明烧结温度过高或过低都会导致Zr/W/PTFE材料密度和强度降低;静态压缩曲线呈现出明显的弹性变形、非弹性变形和应变软化阶段,并具有应变率效应;试件的压缩破坏有劈裂、剪切和劈裂/剪切3种破坏形态. 该材料呈现出黏弹塑性,采用修正的Sargin模型唯象地建立了材料在低应变率范围内的本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好.      

风帽材料对PTFE/AL含能枪弹侵彻土壤深度的影响

风帽材料是影响PTFE/Al含能枪弹侵彻土壤深度的一个重要因素,为了研究风帽材料对PTFE/Al含能枪弹侵彻土壤深度的影响,采用弹道枪垂直侵彻土壤的试验方法,设计了单一变量对比试验,在相同枪弹外形、初速及土壤组分情况下,对比分析尼龙、铝合金、钢、PEFE/Al四种风帽材料的PTFE/Al含能枪弹侵彻单位距离所需的能量,获得最大空腔位置与侵彻深度的关系.试验结果表明,延迟PTFE/Al含能材料激发时间有利提高PTFE/Al枪弹侵彻土壤的深度,采用铝合金风帽材料的PTFE/Al枪弹侵彻单位距离土壤所需能量最小.     

金属添加剂对氟聚物冲击反应材料能量特性的影响

通过分析铝/聚四氟乙烯和镁/聚四氟乙烯冲击反应材料的能量特性,以铝/聚四氟乙烯反应材料为对比典型基准材料,分别用铝粉和镁粉的混合物、铝镁合金粉末代替反应材料中的铝粉,使用Matlab编程分析比较了两种替代材料单位质量的反应热,并提出一种能量特性的评价方法评价了两种替代反应材料在同体积同初速条件下的总能量. 结果表明,两种替代反应材料单位质量的反应热均高于铝/聚四氟乙烯反应材料. 在同体积同初速条件下,铝-镁/聚四氟乙烯反应材料总能量低于铝/聚四氟乙烯反应材料,而在常用的侵彻速度条件下,铝-镁/聚四氟乙烯反应材料的总能量高于铝/聚四氟乙烯反应材料.     

陶瓷粉末平面爆炸烧结裂纹的形成

对ＳｉＣ粉末的爆炸绕结过程进行了数值模拟，计算了粉末中入射冲击波和反射冲击波压力；与实验测得的压力峰值吻合良好，从计算结果出发，讨论了ＳｉＣ粉末烧结中裂纹形成的机制。     

稠密氩等离子体Hugoniot物态方程的研究

采用平面冲击压缩方法产生密度和温度都均匀的氩等离子体,根据辐射高温计记录和飞片速度的测定,通过阻抗匹配方法确定氩等离子体的Hugoniot物态方程,等离子体的温度为1．4－2．2eV,密度为0．0083－0．015g/cm^3。应用Saha模型加Debye-Huckel修正,计算了等离子体的Hugoniot物态方程。测量值和理论计算结果符合较好,说明Saha模型加Debye-Huckel修正能较好地描述该热力学条件下氩等离子体的热力学行为。     

固体推进剂冲击起爆及其反应区本构方程的整体标定研究

实验研究了压阻计对推进剂化学反应区流场的影响,在提高实验精度的前提下测得了改性双基推进剂冲击波起爆过程中的压力变化,利用拉氏分析技术得到了反应过程中的质点速度、反应度变化历史。在反应区整体标定的基础上,提出了改性双基推进剂的化学反应速率方程并进行了系数标定,同时对改性双基推进剂的一维起爆过程进行了数值模拟。     

基于KHT程序的RDX基含铝炸药JWL状态方程参数预测研究

为预测炸药的JWL状态方程参数,根据KHT状态方程编制了KHT程序,计算得到的RDX基含铝炸药的爆轰参数与实验值具有良好的一致性,证明了KHT程序的可信性.在此基础上,利用KHT程序计算的爆轰产物等熵膨胀数据,对RDX基含铝炸药的JWL状态方程参数进行了预测.将预测的JWL状态方程参数输入到AUTODYN软件中,对1 kg RDX基含铝炸药水下4.7 m爆炸试验进行了数值模拟仿真,对比了不同爆距处冲击波压力峰值的试验值与仿真值,两者符合较好. 研究结果表明,利用KHT程序计算的等熵膨胀数据对JWL状态方程参数进行预测是可行的,预测的参数是可用的.      

未反应PBXC10炸药冲击Hugoniot关系的实验研究

为了获得标定未反应PBXC10炸药(Jones-Wilkins-Lee)JWL状态方程参数的基础数据,提出了一种获得未反应炸药冲击Hugoniot关系的方法,即基于冲击起爆实验测得的PBXC10炸药中不同拉格朗日位置的压力历史,假设冲击波前沿炸药未发生化学反应,并利用冲击波阵面前后的动量守恒关系,获得未反应PBXC10炸药的冲击Hugoniot关系. 将该冲击Hugoniot关系外推到爆速,得到PBXC10炸药的冯诺依曼峰值压力,发现该峰值压力与PBXC10炸药的CJ (Chapman-Jouguet) 压力之比在合理范围内.     

聚酯材料状态方程的实验研究

在单级轻气炮上对聚酯材料的激波状态方程进行了实验研究。最高撞击速度为526 m/s,相应在靶中得到的最高撞击压力为2.14 GPa。压力测试采用锰铜计,PVDF产生的压电信号用于判读激波速度。由实验结果拟合得到了聚酯材料的Hugoniot线性关系和多项式状态方程以及Grüneisen状态方程。     

损伤炸药反应速率及起爆的数值模拟

在PBX炸药冲击损伤和冲击起爆实验的基础上,采用拉格朗日分析方法对损伤炸药的化学反应速率方程进行整体标定,并对损伤炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟. 结果表明,损伤炸药冲击波感度提高,得到了损伤炸药化学反应速率方程相关参数的变化规律.     

多元炸药装药冲击起爆的数值模拟

对多元炸药装药的冲击起爆过程进行了数值模拟研究,得到了改变炸药装药层叠顺序后的压力时程曲线．通过分析比较发现：当起爆过程从高爆速炸药传入低爆速炸药时,压力波形过渡平稳,在低爆速炸药到达CJ点时会出现短暂的超压爆轰现象;当起爆过程从低爆速炸药传入高爆速炸药时,会出现回爆现象,压力波形出现双峰,这对于被驱动系统的二次加载是有价值的．