摘要：分別使用落錘加載裝置和分離式霍普金森壓杆對燒結和未燒結工藝的活性破片進行加載，並對比兩種實驗結果，從而完成在衝擊作用下兩種工藝對活性破片的動態力學性能和反應性能影響的研究。結果表明：兩種材料都具有明顯的應變率效應，動態屈服強度約為靜態屈服強度的2.8~3.3倍，而燒結後的活性破片相較於未燒結的活性破片具有較好的力學性能。落錘衝擊作用下燒結後的活性破片發生反應的臨界落高為1.15m，且更容易發生反應。此研究結果反映了活性破片的力學性能和動態加載下的臨界反應性能。
關鍵詞： 臨界反應高度 反應性能 屈服強度 活性破片
戰鬥部是武器系統及彈藥毀傷目標的最終毀傷元，破片戰鬥部通過炸藥爆炸驅動毀傷元，利用毀傷元的動能侵徹或化學能釋放機理毀傷目標。近年來，隨著高新技術發展，空中目標針對易損位置的防護能力及裝藥安全性也得到了較大提高，因此相比傳統惰性破片毀傷目標，活性破片具有較明顯的優勢。
性破片是指由活性材料壓制或者由惰性材料包覆活性材料製成的破片。活性材料通常是由金屬或非金屬混合物粉末按照一定工藝方法壓縮、燒結而製成的亞穩態含能複合材料，具有一定的硬度和強度。在准靜態加載條件下，這種材料足夠鈍感不發生反應；然而在衝擊加載條件下，材料可以快速發生化學反應，釋放能量。研究表明：衝擊鋁靶、油箱和模擬樣彈過程中，使用活性破片代替惰性破片將會大幅提高破片的毀傷威力[1-5]。
活性破片與目標作用過程是一個複雜的高應變率加載過程，研究破片在高應變率加載下的力學性能和衝擊下的反應性能具有重要意義。目前，關於活性破片配方的研究較多，主要針對不同配方下材料的力學性能[6-9]和本構方程[10-11]，然而關於燒結和未燒結材料分別在分離式霍普金森壓杆（SplitHopkinsonPressureBar,SHPB）和落錘高應變率加載下的臨界反應性能研究報導不多。落錘和SHPB是研究材料在中高應變率（102～104s-1）下力學性能的主要技術手段[12]。本工作主要針對燒結和未燒結活性破片，開展相關的力學性能和反應性能研究，以期獲得活性破片的力學性能和動態加載下的臨界反應性能。
1、實驗
1.1 試樣製備
實驗用燒結和未燒結活性破片如圖1所示，破片尺寸為8mm×8mm，活性材料的主要成分為聚四氟乙烯/鋁/鋯/鎢（PTFE/Al/Zr/W），材料密度為3.59g/cm3，其中聚四氟乙烯、鋁、鋯和鎢的質量分數分別為40%、10%、35%和15%。活性材料的製備過程為：將4種粉末按一定比例混合併攪拌均勻，在100MPa的壓力下壓製成型，然後在惰性氣氛保護下於380℃燒結成型。
圖1燒結與未燒結破片
1.2 實驗系統
1.2.1 准靜態實驗系統
准靜態實驗使用WDW-500E萬能材料試驗機對材料進行加載，通過控制試驗機的加載速度從而控制加載應變率，試驗機的壓縮速度為0.6mm/min。
1.2.2 SHPB實驗系統
SHPB實驗系統如圖2所示，系統主要由撞擊杆、入射杆和透射杆組成，試樣放置在入射杆和透射杆之間。本實驗使用的杆件均為直徑20mm鋼杆，撞擊杆長300mm，入射杆長1800mm，透射杆長1500mm，鋼杆的楊氏模量為210GPa。測試系統由SDY2107A動態應變儀和TektronicDPO4104數字示波器組成，示波器採樣率為10MHz。
圖2SHPB系統
1.2.3 落錘加載系統
落錘加載實驗系統如圖3所示。實驗原理為通過改變落錘的下落高度來改變落錘的撞擊速度，從而實現不同的加載強度。試樣置於落錘的正下方，通過高速相機記錄加載過程中試樣發生的變化和反應過程，同時拍攝落錘上的圖標移動過程，通過數字圖像相關處理（DigitalImageCorrelation,DIC）得到加載前後落錘速度的變化。圖3落錘加載實驗系統
1.3 SHPB實驗原理
SHPB裝置的主要原理是實驗杆中傳播的應力波同時承擔加載和測試功能，在應力波傳播的一維性和試樣受力均勻性假定的基礎上，通過入射杆上的應變片檢測入射信號εi、杆與試樣接觸界面的反射信號εr以及透射杆中的透射信號εt，根據一維應力波理論推導試樣中的應力-應變關係[12]公式中：σs為工程應力，E為實驗杆的彈性模量，A0為實驗杆的橫截面積，As為試樣的橫截面積，εT為真實應變，εs為工程應變，c0為實驗杆中聲速，ls為試樣長度，σT為真實應力。
2、結果與討論
2.1 活性破片的力學性能
2.1.1 准靜態力學性能
如圖4所示，使用WDW-500E萬能材料試驗機，在10-3s-1應變率下分別加載燒結和未燒結破片，得到2種材料的准靜態壓力。從圖4中可以看出：燒結材料先進入彈性段，當應力達到26.3MPa時材料發生屈服，隨後材料進入塑性變形段；而未燒結材料具有明顯的脆性材料特性，即當應力達到18.4MPa時，材料發生屈服破壞，產生裂紋，隨後應力卸載。加載後的變形試樣如圖5所示，燒結材料變形均勻，並呈現中間粗的鼓形形狀；而未燒結試樣出現明顯的斜45°裂紋，發生脆性破壞。圖4准靜態加載下燒結與未燒結材料的應力-應變關係
2.1.2 動態力學性能
使用SHPB分別對燒結和未燒結材料進行不同應變率加載，得到材料的真實應力-應變關係，如圖6所示。可以看出，燒結後的材料力學強度和塑性應變明顯高於未燒結材料。動態加載下：燒結材料先經過彈性段，當到達材料的屈服強度後進入塑性段，產生塑性變形，隨後發生了破壞；未燒結材料在加載後先經過彈性段，當達到屈服點後材料發生脆性破壞，然後卸載。其中，燒結材料在1500s-1應變率下的屈服強度為74MPa，未燒結材料在1500s-1應變率下的屈服強度為52.9MPa。相比於材料的准靜態屈服強度，在應變率為1500～2500s-1的動態加載下，其動態屈服強度約為準靜態屈服強度的2.8～3.3倍。
圖5准靜態加載後材料的變形情況；圖6不同應變率下的應力-應變曲線
2.2 落錘加載下活性破片的反應性能
使用10kg落錘直接衝擊加載活性破片材料，通過改變落錘的落高得到不同的加載速度，分別對燒結和未燒結材料進行0.8～1.3m落高下獨立加載試驗，通過DIC處理得到材料在不同落高下的撞擊速度ν1和反彈速度ν2，表1列出了落錘加載試樣的實驗結果。從表1中可知，隨著落錘下落高度的降低，材料由反應狀態向不反應狀態過渡，同時撞擊速度也相應地減小；通過不同試驗材料最終是否發生反應可以推斷材料發生反應的臨界落高。同時，從圖7所示的高速攝影拍攝結果可以看到：燒結材料在1.15m落高時發生了反應，而在1.10m處未發生反應；未燒結材料在1.25m落高時發生了反應，而在1.20m處未發生反應。通過上述結果可以判斷：燒結材料在落錘加載下發生反應的臨界落高約為1.15m，未燒結材料在落錘加載下發生反應的臨界落高約為1.25m。通過對比燒結和未燒結材料發生反應的臨界落高，可以得出燒結材料更容易發生反應的結論。
如圖7所示，通過高速攝影相機拍攝試樣的加載過程，分別記錄燒結材料在落高1.15m和未燒結材料在落高1.25m處下落時的照片，相機幅頻為2.0×104幅/秒，解析度為384×336像素。燒結試樣在1.15m落高發生反應，而未燒結試樣在1.25m落高發生反應，並伴隨明顯的火光及爆炸聲響。對於燒結材料，在加載過程中，350µs時試樣中間產生明顯的裂紋；隨著加載進行，5ms時看到試樣底部有火光產生。對於未燒結材料，400µs時試樣中間產生明顯裂紋；在2300µs時材料明顯碎裂，發生了反應；在3000µs時反應較為劇烈。通過DIC處理得到燒結材料和未燒結材料在發生反應後的粒子噴射速度為6.4m/s。通過對比兩種工藝下材料加載過程的高速攝影圖像可以得到：燒結試樣在加載過程中為均勻壓縮變形，呈現彈塑性力學特性；而未燒結試樣在加載過程中呈現脆性材料特性，加載中較早出現碎裂，導致材料較早發生反應，並且反應較為劇烈。
2.3 材料微觀結構分析
如圖8所示，為了分析燒結和未燒結活性破片的微觀結構變化對材料的力學性能和反應性能的影響，使用美國FEI公司的Quanta600FEG場發射掃描電鏡（SEM）對活性破片試樣進行形貌分析。從圖8（a）～圖8（c）中可以看出：燒結後的試樣具有較多均勻分布的纖維狀組織，而未燒結試樣的纖維組織較少。導致燒結試樣與未燒結試樣區別的主要原因是：PTFE的熔化溫度為327℃，在380℃的燒結溫度下，PTFE材料發生熔化，熔化後的材料均勻附著在金屬顆粒上，具有較強的黏結作用；而未燒結材料中PTFE粉末和金屬粉末均勻分布，在結構上呈現顆粒壓實狀態。
由於燒結與未燒結試樣材料自身存在的差別，導致在動態加載過程中表現出不同的力學性能和反應性能。圖8（b）和圖8（d）為衝擊加載後兩種試樣的SEM圖像。從圖8（b）可以看出，加載後燒結試樣顆粒發生了較大變形；從圖8（d）可以看出，PTFE產生了較大的變形。材料表現出該彈塑性力學特性的主要原因是：在加載彈性段，燒結材料內部顆粒間的孔洞被壓實，在塑性階段則主要是燒結材料顆粒發生變形以及顆粒和PTFE基體間的塑性變形；而對於未燒結材料，加載過程中金屬顆粒和PTFE發生擠壓，拉伸PTFE發生變形，由於顆粒間黏結作用較弱，當應力達到屈服點後，材料發生壓垮破壞，應力卸載，材料表現出脆性力學特性。落錘加載活性破片，燒結材料的臨界反應落高為1.15m，而未燒結材料的臨界反應落高為1.25m。從高速攝影照片可以看出，加載到5000µs時燒結材料發生反應，而未燒結材料在2300µs時就可以看到明顯的噴射碎塊。導致燒結試樣更容易發生反應的主要原因是：燒結試樣在壓縮過程中內部應力更均勻，並且壓縮加載時間長，能夠產生更多的塑性應變能；而壓縮過程中未燒結試樣快速發生碎裂，形成應力釋放，在加載應力達到一定值時，局部會先發生反應，這也是導致未燒結試樣相比於燒結試樣底部更早產生火光的原因。
圖71.15m和1.25m落高下落錘加載試樣的高速攝影圖像；圖8燒結和未燒結試樣的SEM圖像
3、結論
（1）燒結後的活性破片力學性能比未燒結活性破片好；燒結活性破片具有彈塑性力學特性，在准靜態加載下屈服強度為26.3MPa，未燒結活性破片具有脆性力學特性，准靜態加載下屈服強度為18.4MPa；動態加載下活性破片具有較為明顯的應變率效應，動態屈服強度約為靜態屈服強度的2.8～3.3倍。
（2）使用落錘加載活性破片時，燒結破片更容易發生反應，但未燒結破片產生火光的時間較早；燒結材料發生反應的臨界落高為1.15m，未燒結材料發生反應的臨界落高為1.25m；燒結和未燒結材料發生反應時粒子噴射速度為6.4m/s。