PTFE材料在高應變率沖擊下的力學性能＊

李順平，馮順山，薛再清，涂 建

PTFE材料在高應變率沖擊下的力學性能＊

李順平1，2，馮順山2，薛再清1，涂 建1

（1.北京航天長征飛行器研究所，北京100076；2.北京理工大學，北京100081）

聚四氟乙烯（PTFE）在高速碰撞或者爆炸加載時的應變率可高達106s－1，高應變率下PTFE材料的力學響應會對其材料性能產生較大影響。本文中采用壓剪炮試驗系統（PSPI）測試了PTFE材料在高應變率（105～106s－1）下的壓縮力學性能，實驗中碳化鎢（WC）飛片板以一定速度撞擊由前靶板、試件和后靶板組成的三明治結構，并采用激光干涉儀記錄后靶板自由面的速度變化。對實驗結果處理后得到該PTFE材料的應力應變數值，并擬合得到應力應變曲線。本研究對PTFE／金屬復合材料制成的動能侵徹體強度及其沖擊碎化機理的分析具有指導意義。

聚四氟乙烯（PTFE）；高應變率；壓剪炮試驗系統（PSPI）；應力應變曲線

聚四氟乙烯（PTFE）屬于含氟材料，具有出色的材料性能。近年來，對PTFE／金屬復合材料制成的動能侵徹體及破片的研究十分活躍，包括毀傷能力和材料應力應變關系。

關于聚合物材料應力應變性質的第一項研究通常認為是S.C.Chou等［1］進行的，他們采用“中等應變率機”和分離式霍普金森壓桿（SHPBs）研究了聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate），乙酸丁酸纖維素（cellulose acetate butyrate），聚丙烯（polypropylene）和尼龍66四種材料的力學行為。E.N.Brown等［2］研究了幾種形式的聚乙烯（polyethylene）。S.M.Walley等［3］研究了大量室溫下應變率為10－2～104s－1時的聚合物行為，他們特別注意了使用適當的潤滑劑和試件尺寸來減少摩擦和慣性。P.J.Rae等［4］對應變率范圍為10－4～1s－1時的PTFE壓縮力學性質進行了測試，所用實驗裝置為SHPBs，他們發現PTFE壓縮力學性質受應變率影響很大。A.Khan等［5］對PTFE材料的應變率強化、蠕變和松弛行為進行了實驗研究和數值模擬，提出了一種黏彈塑性本構模型來描述其在該應變率范圍下的力學行為。J.L.Jordan等［6］研究了應變率范圍為10－3～105s－1時的PTFE壓縮力學性質，并采用Zerillie－Armstrong本構模型［7］來分析實驗結果。然而PTFE材料在使用過程中處于爆炸載荷或局部高過載時，應變率可高達106s－1，對于更高應變率范圍（105～106s－1）的PTFE壓縮力學性能研究成果未見公布。

本文中采用壓剪炮試驗系統（PSPI），對PTFE材料高應變率范圍105～106s－1的應力應變曲線進行研究，并通過擬合得到PTFE的應力應變關系，為相關動能彈或破片對目標的毀傷研究提供基礎。

1 實驗方法和實驗方案

PSPI實驗裝置如圖1所示。實驗過程中，彈托和飛片板以初速v0撞擊前靶板、PTFE試件和后靶板組成的三明治結構，由法向位移干涉儀NDI和切向位移干涉儀TDI［8］分別記錄后靶板自由面法向速度和切向速度，在本次實驗中只進行正碰撞，即只采用法向位移干涉儀NDI記錄后靶板自由面法向速度。在實驗的準備過程中，飛片板、前靶板和后靶板均采用碳化鎢材料，用WC＃504表示，其硬度和波阻抗都遠遠大于測試材料PTFE，這三類靶板采用專門的磨平設備進行加工，經平面度測量以保證靶板的表面符合平面度要求。加工后符合要求的飛片板和彈托粘合在一起，彈托的前端具有一定的傾斜角，斜碰撞的角度就是由彈托的傾斜角確定的。前靶板、PTFE試件和后靶板用4個螺釘固定在一起，實驗時固定于特制的靶托上。在前靶板上設計有測夾角探針，目的是測量飛片板與前靶板碰撞瞬間二者之間的夾角，夾角越小說明二者碰撞時平行度越好，當夾角過大時，實驗數據無效。后靶板的自由面需要拋光并形成鏡面，用于反射激光，反射的激光經過干涉儀記錄，可以計算后靶板的自由面速度。

圖1 PSPI試驗系統真空密閉測試箱及其剖面圖Fig.1Vacuum chamber and its sectional drawing of PSPI facility setup

實驗參數如表1所示，表中h為試件PTFE薄板厚度；hfront為前靶板厚度；hrear為后靶板厚度；hflyer為飛片板厚度；?為前靶板、后靶板、飛片板和PTFE薄板的直徑，四者具有相同的直徑；v0為飛片板與前靶板撞擊時的速度，在撞擊的瞬間由圖1（b）“測量飛片板初速回路”測量；傾斜角為飛片板與前靶板撞擊時的夾角，實驗過程中由圖1（b）“測夾角探針”測量。

表1 實驗參數Table 1Experimental parameters for PSPI test

2 實驗結果與分析

根據一維彈性波理論，試件PTFE中正應力σ可表示為：

式中：vfs為自由面法向速度，vfs（t＋hrear／cl）為（t＋hrear／cl）時刻的自由面法向速度，vfs（t－hrear／cl）為（t－hrear／cl）時刻的自由面法向速度，ρ 和hrear為后靶板密度和厚度，cl為后靶板縱波波速。

試件的應變率可用下式計算：

式中：v0為飛片板初速，h為試件PTFE薄板厚度。

圖2所示為后靶板自由面法向速度變化。由于實驗材料PTFE的聲阻抗遠小于WC＃504，沖擊過程中，WC＃504可視為剛體不發生變形，只有試件PTFE發生變形，我們可以觀察到在后靶板自由表面處法向速度回蕩的歷史過程，該歷史過程反映了PTFE材料的變形過程。法向速度－時間曲線用于確定依賴于壓力的縱波。

圖2 后靶板自由面法向速度變化Fig.2Normal velocity of free surface of rear plate vs.time of PSPI test

弱沖擊波在試件中傳播回蕩過程的每一步都包含波的一個往返。圖3為縱波在靶板和試件中振蕩的t－x圖，每一個平臺n及其持續時間Δtn為：

式中：Un－1／2是材料應力狀態從σn－1跳轉到σn時的波速，Un＋1／2是材料應力狀態從σn跳轉到σn＋1時的波速。在圖3（b）中應力時變曲線中點σn處的斜率為ρ0cσn（）［］2，其中cσn（）是材料在應力為σn時的聲速。連接σn－1和σn的直線斜率為ρ0（Un－1／2）2，連接σn和σn＋1的直線斜率為ρ0（Un＋1／2）2，因此，

圖3 縱波在飛片板、前靶板和后靶板以及試件中的傳播示意圖Fig.3t－x diagram of longitudinal waves propagation in plates and sample

由式（1）～（3）可得：

Un－1／2和Un＋1／2大致相等，cn－1／2和cn＋1／2可視為應力中間點，σn－1／2＝（σn－1＋σn）／2和σn＋1／2＝（σn＋σn＋1）／2時的聲速。再加可以忽略，則式（4）滿足cn＋1／2→2h／Δtn和cn＋1／2→cn－1／2的解為

根據測量所得回程時間Δtn和初始波速c1／2，式（5）可用來產生波速cn＋1／2（n＝1，2，3，…），其中n的最大值取決于圖2中所記錄的清晰可辨的反射波（每個反射波在圖中表現為一個平臺）。選擇的初始波速用來提供較低壓力下波速向反射壓縮波的波速的平穩過渡，其值取為1 840m／s，，計算結果聲速隨應力的變化如圖4所示。

應力應變曲線可以通過對下式積分得到，如圖5所示。

基于實驗結果擬合得到的應力應變關系為：

圖4 聲速隨應力的變化Fig.4Longitudinal wave speed vs.pressure

圖5 4mm 厚PTFE材料在105～106 s－1應變率下的應力應變曲線Fig.5Stress－strain profile for PTFE film of 4mm thickness across strain rate 105～106 s－1 of PSPI test

3 結 論

對應變率范圍為105～106s－1的PTFE材料采用壓剪炮試驗系統來測試其壓縮應力應變關系，經過對實驗結果的擬合得到 PTFE材料應力應變關系為σ＝10.24e－（（ε－0.3396）／0.1295）2。PTFE 材料應力應變特性研究為PTFE／金屬復合材料制成的動能侵徹體彈道實驗應變率與速度關系的建立提供基本數據，是研究PTFE／金屬反應破片沖擊碎化機理的前提。

另外，一次PSPI實驗對于得到PTFE高應變率105～106s－1時的應力應變曲線并不太充分，因此，還可改變初始條件進行多次重復實驗。

感謝美國布朗大學Clifton教授和焦桐教授對PSPI實驗設備的提供和指導以及對實驗結果處理方法的指導。

［1］ Chou S C，Robertson K D，Rainey J H.The effect of strain rate and heat developed during deformation on the stress－strain curve of plastics［J］.Experimental Mechanics，1973，13（10）：422－432.

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［3］ Walley S M，Field J E.Strain rate sensitivity of polymers in compression from low to high rates［J］.DYMAT Journal，1994，1（3）：211－227.

［4］ Rae P J，Dattelbaum D M.The properties of poly（tetrafluoroethylene）（PTFE）in compression［J］.Polymer，2004，45（22）：7615－7625.

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［7］ Zerilli F J，Armstrong R W.A constitutive equation for the dynamic deformation behavior of polymers［J］.Journal of Materials Science，2007，42（12）：4562－4574.

［8］ Kim K S，Rodney J C，Prashant Kumar.A combined normal－and transverse－displacement interferometer with an application to impact of ycutquartz［J］.Journal of Applied Physics，1977，48（10）：4132.

Mechanical properties of PTFE at high strain rate

Li Shunping1，2，Feng Shunshan2，Xue Zaiqing1，Tu Jian1
（1.Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing100076，China；2.Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China）

The mechanical properties of polyetrafluoroethylene（PTFE），which is being used increasingly in diverse applications owing to its many attractive properties，are important for applications involving either high－velocity impact or blast loading at very high strain rates（of the order of 106s－1）.In this work，for high strain rates of 105～106s－1，the PTFE dynamic pressure experiment was conducted using the pressure－shear plate－impact（PSPI）facility in which a tungsten－carbide（WC）flyer impacted a target assembly consisting of a thin PTFE plate sandwiched between two hard （elastic）WC plates.The velocity at the free surface of the target assembly was measured using the laser interferometry，an effective method was adopted to analyze the experimental results to obtain the values of the stress and strain at four points，and the stress strain relationship was fitted.The investigation has significance for the analysis of the strength and impact crushing performance of PTFE／metal reactive fragments.

polyetrafluoroethylene （PTFE）；high strain rate；pressure－shear plate－impact （PSPI）；stress－strain curve

O347.3 國標學科代碼：13015

A

10.11883／1001－1455（2017）06－1046－05

2016－04－25；

2016－07－31

國家自然科學基金項目（11202028）；高等學校博士學科點專項科研基金項目（20121101110012）

李順平（1986— ），女，博士后，lishp＠14.calt.casc。

（責任編輯 曾月蓉）