摘要
为了研究ZrH2对Al/PTFE反应材料力学响应与毁伤性能的影响，采用冷压烧结工艺制备了Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE和纯PTFE三种材料的圆柱体与药型罩试件，通过准静态压缩、落锤冲击和高速撞靶实验，对三种材料的力学性能、撞击感度与撞靶毁伤效能进行了对比研究。实验结果表明：三种PTFE基材料均为弹塑性材料，都存在应变硬化效应，质量分数为10%的ZrH2能提高Al/PTFE反应材料的力学强度，使其屈服强度与失效应力分别达到22.2 Mpa与93.3 Mpa，也可降低材料撞击感度，使其点火激发能增加1.93 J，并通过活化分解参与反应保证材料能量释放水平不受影响。两种含能药型罩在撞靶过程中能发生撞击释能反应，产生穿/扩孔综合效应，形成花瓣式外翻的穿孔形式，与惰性毁伤元相比，反应材料的撞击‑反应双重毁伤效应能大幅提升其扩孔能力，在Al/PTFE反应材料中引入适量添加剂ZrH2，能进一步增强材料的撞靶毁伤效能。
图文摘要
铝/聚四氟乙烯（Al/PTFE），是最具代表性的反应材料之一，具有能量密度高、稳定性好、较易制备等特性，在冲击荷载作用下，Al与PTFE可发生高放热的氧化还原反
相比于传统含能材料，Al/PTFE反应材料虽然具有更优异的物化特性，但其密度和强度等力学性能远不及金属材料，因此无法作为独立的结构毁伤元使用。反应材料在实际应用方面研究的一个重要方向是提高其力学强度和整体密度以保证毁伤元的侵彻能力，同时还需要具有足够高的能量释放水平以确保侵彻后的杀伤效应，此外材料也要足够钝感，防止在生产加工、运输储存、作战使用等勤务操作过程中发生反应。
基于反应材料组分的可调控性，许多学者通过填充改性，在Al/PTFE材料中引入其它具有优异物化特性的物质，研究对其力学性能、材料密度等性能的影响，探索Al/PTFE反应材料在实际应用中的可行性。金属氢化物作为一种新型含能材料，近年来受到广泛关注，于钟深
PTFE：平均粒径25 μm，纯度>99.5%，上海三爱富新材料股份有限公司；Al粉：平均粒径1~2 μm，湖南金天铝业高科技股份有限公司；ZrH2粉：平均粒径10 μm，沈阳锦州海鑫金属材料有限公司。
分别制备Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE、纯PTFE圆柱体（Φ10 mm×10 mm、Φ10 mm×3 mm）和球缺形药型罩（2 mm等壁厚，30 mm口径）试件，试件中Al、PTFE的质量分数按照化学平衡比（m（Al）∶m（PTFE）=26.5∶73.5）进行配比，ZrH2含量占Al/ZrH2/PTFE总质量的10%，Al/ZrH2/PTFE试件中Al、ZrH2与PTFE的质量分数分别为23.8%∶10%∶66.2%。
试件制备过程：（1）混药：将材料分别按照配方称重置于烧杯中混合，加入适量的无水乙醇制成悬浮液，机械搅拌20 min至充分混合，再放置于60 ℃的真空烘箱中保温烘干至完全干燥。（2）模压：将干燥混合物过筛（60目）得到均匀粉末，再使用成型模具将干燥均匀粉末压制成圆柱状试件和球缺形药形罩，压制压力为240 MPa，保压时间为20 s。（3）烧结：将压制成型试件置于真空烧结炉中恒温烧结4 h，设定烧结温度360 ℃，升温速率90 ℃·
参照GB/T1039-1992《塑性力学性能试验方法总则‑塑料压缩性能试验方法》，采用CMT5105微机控制电子万能试验机（最大加载力为100 kN）分别对三组试件（Φ10 mm×10 mm）进行准静态压缩，设定压头压缩速率为6 mm·mi
参照GJB772A-1997 601.2特性落高法测试试件（Φ10 mm×3 mm）在中等应变率（1
撞靶活性毁伤元及组件如
图1 撞靶活性毁伤元及其组件
Fig.1 Active damage element and it′s components
图2 靶板冲击实验场地设置
Fig.2 Experiment layout of steel plate impact by active damage element
三组试件在准静态压缩条件下的真实应力‑应变曲线如
图3 三种材料在准静态压缩下的真实应力‑应变曲线
Fig.3 True stress‑strain curves of three materials under quasi‑static compression
从
由于原有落锤试验程序具有统计性差的特点，因此采用一种改进后的“上下试探法
由
对两组反应材料试件在相同落高（65 cm）条件下进行落锤撞击实验，撞击反应过程如
图4 相同落高（65 cm）下落锤撞击试件的反应过程（a）Al/PTFE试件（b）Al/ZrH2/PTFE试件
Fig.4 Reaction processes of specimens after drop‑hammer impact at the same drop height of 65 cm (a) Al/PTFE specimens (b) Al/ZrH2/PTFE specimens
起爆毁伤元装药后，药型罩在炸药爆轰压力的推动下，形成EFP爆炸成型弹丸，弹丸高速撞击靶板，纯PTFE与Al/ZrH2/PTFE两种药型罩撞击5 mm厚靶板的反应过程如
图5 两种药型罩撞靶反应过程（a）纯PTFE药型罩（b）Al/ZrH2/PTFE含能药型罩
Fig.5 Reaction processes after impact of shaped materials (a) pure PTFE liner (b) Al/ZrH2/PTFE energetic liner
图6 三种药型罩对靶板的毁伤效果（a）纯PTFE药型罩（b）Al/PTFE药型罩（c）Al/ZrH2/PTFE含能药型罩
Fig.6 Damage effects of three kinds of liners onto targets (a) pure PTFE liner (b) Al/PTFE energetic liner (c) Al/ZrH2/PTFE energetic liner
图7 Al/ZrH2/PTFE含能药型罩对见证钢板的后效作用
Fig.7 Aftermath of Al/ZrH2/PTFE energetic liner onto proof plate
如
| （1） |
| （2） |
| （3） |
| （4） |
（1）三种材料均为弹塑性材料，都存在应变硬化效应，Al/ZrH2/PTFE试件的屈服强度和失效应力值最大，因此，引入质量分数为10%的ZrH2可一定程度提高Al/PTFE反应材料的抗压强度。此外，在不影响材料整体能量释放水平的前提下，ZrH2有助于减小Al与PTFE发生初始反应的几率，降低反应材料的撞击感度。ZrH2的这一物化特性，可为通过氢化物填充改性Al/PTFE反应材料，制备不同应用环境所需特性和功能的反应材料奠定研究基础。
（2）Al/PTFE与Al/ZrH2/PTFE含能药型罩在撞靶过程中能发生撞击释能反应，相比于惰性毁伤元，存在明显的反应区、对靶板的黑色烧灼痕迹和积碳现象。释能反应产物具有径向膨胀扩孔效应，侵彻靶板造成花瓣式外翻的穿孔形式。Al/PTFE穿靶孔径约为纯PTFE的2倍，表明含能药型罩的撞击‑反应双重毁伤效应可大幅提升其扩孔能力，Al/ZrH2/PTFE穿靶孔径为Al/PTFE的1.5倍，表明在Al/PTFE中填充ZrH2，通过改善材料力学性能，提高材料能量密度，能进一步增强反应材料的毁伤效能。
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