Fe/Al含能射流能量釋放特性研究

杜 燁，李 強

(1.中北大學機電工程學院,山西 太原 030051;2.中國人民解放軍96786部隊，北京 102202)

引 言

射流是打擊裝甲及固定硬目標的有效武器，隨著目標防護的發展，對射流的毀傷能力提出了更高的要求[1-2]，而目前傳統的藥型罩多采用常規材料及傳統機械加工工藝，對目標的毀傷效能已基本達到極限，因此，國內外學者[3-5]提出了含能藥型罩這一新型毀傷元概念，即在藥型罩中加入活性材料，當其受到強沖擊作用時快速發生化學反應[6-12]，產生強烈的爆炸、燃燒及超壓效應并釋放出大量能量，對目標的毀傷效果比常規材料戰斗部有大幅度提高。

然而，由于受限于測試技術及方法，含能射流毀傷目標時產生的能量難以捕捉測量，同時射流毀傷目標后通常四散碎裂，給射流剩余物質的收集工作帶來了困難，因此目前國內在含能射流對目標毀傷效應方面的研究多停留在對宏觀實驗現象觀察的階段，較少對射流沖擊靶板釋放的能量進行采集測量。鑒于上述情況，本研究設計了一套含能射流能量采集系統，對Fe/Al含能射流沖擊靶板所形成的超壓進行定量采集測試，并提出超壓差值計算法，得到超壓信號與能量釋放值之間的關系，進而計算出Fe/Al含能射流沖擊靶板所釋放的能量值。

1 實 驗

1.1 能量采集系統組成

能量采集系統由Φ40(mm)Fe/Al復合聚能裝藥戰斗部、Φ380(mm)鋼制測試容器(體積21L)、超壓測試系統(BZ2202多通道動態應變儀、TST3125動態測試分析儀、壓力傳感器(量程5V、采樣率為20kHZ、采樣長度為58kms、延時-2kμs、控制電壓為0.15V)、導線、前置及后置密封板、不同厚度Q235鋼隔板、鋼防護板、高速攝影儀、支架。實驗裝置示意圖如圖1所示。

1.2 測試原理

將防護板置于測試容器與藥型罩中間，用于阻隔爆轟產物，盡量減小對測試系統的影響。為保證射流順利進入測試容器，在防護板與前置密封板中央開Φ80mm的孔(泄壓孔)，通過激光標定藥型罩的軸心線，調節防護板與前置密封板高度使之與藥型罩軸心位于同一高度。藥型罩置于支架上，由炸藥驅動后形成射流，射流穿過預開孔的防護板，撞擊到鋼隔板上發生劇烈化學反應，釋放大量熱量，使容器內空氣膨脹形成超壓，由測試容器前端的傳感器記錄射流內含能材料釋放能量形成的電壓—時間信號，對原始信號濾波平滑后進行數值計算處理，得到釋能超壓—時間曲線。

1.3 測試方案

采用相同的球缺型藥型罩結構，藥型罩直徑40mm，裝藥采用聚奧-8，密度為1787kg/m3，爆速為8390m/s，鋼隔板厚度統一取4mm，鋁粉粒徑為3.8×104nm，鐵粉粒徑為3.1×104nm。對7種不同Fe/Al質量比(分別為2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2)的含能射流以及作為對照用的純鋁、銅、鐵射流進行沖擊靶板測試，每種配比材料進行3次實驗，結果取平均值。采用高速攝影對宏觀釋能現象進行觀測，對形成的超壓—時間曲線進行數據處理和分析，采用XRD(X射線衍射)分析法對密閉容器中回收的粉末成分進行細觀測試。

2 超壓差值計算法原理

由于受限于實驗條件，無法直接測定含能射流毀傷目標時釋放的能量值，因此需要建立測試得到的超壓信號與能量釋放值之間的關系。首先將超壓信號分為上升和泄壓兩個階段，上升階段等效為密閉容器環境，引用Richard.A.G[13]提出的密閉容器超壓值與能量值之間的關系計算出超壓上升階段所釋放的最大能量；根據無約束泄壓原理得到理論自由泄壓曲線，然后用實測泄壓曲線與理論泄壓曲線做對比，前者超出后者的這一部分即可用來表征在泄壓過程中含能材料能量釋放量沖量，進而計算出泄壓過程的釋能值。

含能射流高速碰撞靶標時產生了超壓—時間曲線的上升段，此時射流的沖擊釋能量ΔQ即為測試容器內增加的內能。設容器內為理想氣體，則容器內能量變化可表示為：

(1)

式中：dQ/dt與dW/dt分別為測試容器內能量和功的變化率；u為氣體流動速度；e為單位質量氣體內能；S為測試容器內表面積。

假設射流穿靶后泄壓口氣體流動性能恒定，則式(1)右側第二項可轉換為：

(2)

式中：dm/dt為泄壓孔氣體質量流失速率，下標1，2分別表示泄壓孔上游和下游的狀態。

在后續的數據分析可知，密閉容器不同位置得到的超壓規律基本相似，因此式(1)右側的第一項可簡化為：

(3)

如果視容器壁為剛體，忽略密閉容器系統作功，則dW/dt=0，并結合式(2)、(3)，則式(1)可轉換為：

(4)

根據焓的定義和理想狀態方程，溫度可表示為：

(5)

引入比內能參量，并將沖擊釋能過程視為等容過程，結合式(5)則式(4)第一項可轉換為：

(6)

根據伯努利方程和焓的定義，將cv=R/(γ-1)代入式(6)可得：

(7)

式(7)適用于超壓產生的整個過程，但由于Richard.A.G認為容器內超壓上升階段耗時很短，通常僅有幾毫秒，且p-t關系基本呈線性，因此在超壓曲線的上升部分可忽略泄壓孔的存在，視容器為密閉的，容器內氣體質量恒定，則在該過程式(7)可簡化為：

(8)

式(8)即為壓力曲線上升階段容器內超壓峰值與射流釋能增值的關系，式中：γ為絕熱指數，V為容器內容積，當p取超壓峰值時，Q1即為超壓上升階段所釋放的最大能量。

由于密閉容器前端留有泄壓孔，容器內超壓膨脹狀態的氣體通過泄壓孔逐漸排入容器外，形成了超壓—時間曲線的泄壓段。

如果忽略黏性和容器壁摩擦熱傳導，泄壓氣體的流動可以看作一維定常等熵流動，構建無約束泄壓容器，容器內部無加熱或散熱流動，且氣體為理想氣體，示意圖如圖2所示，泄壓口上游狀態下標為1，下游狀態下標為2。則由伯努利方程得：

(9)

(10)

對于容器內亞音速流動的氣體，泄壓上游氣體流動速度v1比下游氣體流動速度v2小得多，因此忽略式(10)中的v1項。

單位時間以速度v2通過泄壓孔面積為A的氣體量：

(11)

將式(10)代入式(11)，可得：

(12)

當上游壓力等于或大于臨界壓力時v2=C，式(12)可寫為：

(13)

(14)

式(14)反映的即是容器內在達到超壓峰值后通過泄壓孔的自由泄壓過程，然而在實驗中射流未發生反應的含能材料會繼續通過釋能形成超壓，這樣會減緩泄壓曲線下降的速度，因此實際測到的泄壓曲線必定在理論自由泄壓曲線之上，超出的部分即可用來表征待測目標在泄壓過程中的能量釋放量，這里定義該方法為“超壓差值計算法”，示意圖如圖3所示，泄壓段紅色曲線為實測值，黑色曲線為計算值，p實測—p理論為最大超壓差值，陰影部分面積為泄壓釋能沖量。

通過聯立式(7)和式(14)，分別將最大超壓差值對應的實測壓力和理論壓力代入，通過數值計算法對上述微分方程求解即可得到泄壓階段的額外釋能值Q2。將超壓上升階段產生的能量Q1與泄壓階段能量釋放量Q2相加即可得到含能射流在侵徹過程中發生化學反應產生的總釋能Q。

3 結果與討論

3.1 不同Fe/Al配比對射流釋放能量的影響

圖4為不同配比(質量比)藥型罩形成射流撞擊4mm鋼隔板時測試得到的超壓—時間曲線、表1為根據圖4測試數據計算得到的瞬態釋能、泄壓釋能和總釋能。

表1 不同配比方案沖擊釋能值對比Table 1 Comparison of the impact energy release with different proportioning schemes

由圖4可以看出，雖然Al2O3的標準摩爾生成焓在鐵鋁系的反應生成物中最高，但純鋁射流總釋能僅有30kJ。這是因為單質鋁在高溫熔融狀態下極易團聚[14]，在發生氧化反應后表面迅速包覆一層氧化鋁膜，阻隔了內部的鋁繼續和氧氣發生反應。隨著在純鋁中加入的鐵含量增多，Fe/Al含能射流的釋能量得到大幅提升，Fe/Al質量比為4∶6的射流在密閉容器中產生的超壓峰值、泄壓釋能與總釋能均最高，總釋能可達83.1kJ，釋能效果最好。說明制備藥型罩時在鋁粉中添加適量的鐵粉可使鋁氧化釋能效率大幅提高。而當鐵質量分數達到或超過50%后，Fe/Al射流的釋能效果急劇下降，甚至低于純鋁射流，說明當Fe/Al復合材料中的鐵含量超過一定比例會阻礙鋁鐵復合材料的釋能效率，當材料為純鐵時，容器內超壓降為最低值。

另外，觀察鐵質量分數20%～40%的射流形成的超壓—時間曲線可以發現，在超壓峰值之后都存在一個超壓平臺，說明該配比下的Fe/Al含能射流在泄壓階段仍然持續發生了一段時間的釋能反應，因此總釋能量遠比其他配比高。

3.2 釋能現象分析

由于鐵含量過高或過低時的釋能效果區別不大，因此在對比實驗現象和回收粉末成分時選取鐵質量分數為30%、40%和50%的Fe/Al射流進行研究。圖5為3種配比Fe/Al射流侵徹4mm鋼隔板在達到超壓峰值時的釋能現象。

由圖5可以看出， Fe/Al質量比為4∶6時觀察窗看到的亮度最高，且從泄壓孔噴出的火花最多，表明射流在撞靶后發生的化學反應最劇烈，對容器內形成的超壓最大。而Fe/Al質量比為5∶5時射流從火光亮度上均明顯低于前者。

3.3 回收粉末微觀組織分析

取Fe/Al質量比分別為3∶7、4∶6、5∶5進行回收粉末的形貌、成分、組織結構微觀分析對比，結果見圖6，圖7為純Al射流撞擊4mm鋼板回收粉末的XRD圖。

由圖6可以看出，Fe/Al質量比為4∶6和3∶7時回收的粉末成分及含量大致相同，以Al2O3、Fe3O4為主，有少量的Fe2O3以及鋁和鐵的單質，沒有檢測出鋁鐵的金屬間化合物，說明這兩種配比的射流在撞靶過程中發生了大量放熱量高的鋁、鐵的氧化反應及鋁熱反應，沒有發生放熱量低的鋁鐵化合反應，因而釋能效率高。而Fe/Al質量比為5∶5時回收的粉末中包含了大量的Fe2Al5、FeAl3及FeAl等金屬間化合物，僅有少量的金屬單質及金屬氧化物，說明大量的鋁優先與鐵單質結合并形成生成焓低的金屬間化合物，只有極少的鋁參與了氧化反應，從細觀角度驗證了所得的過量鐵會阻礙鋁氧化釋能反應的結論。

由圖7可知，Al射流撞擊4mm鋼板后回收的粉末中大部分是未參與氧化反應的鋁單質，僅有少部分的氧化鋁，說明鋁射流在高沖擊能量條件下的氧化反應率不高，微觀分析得到的結果與圖5宏觀測試結果一致。

4 結 論

(1)相同沖擊條件下，Fe/Al質量比為4∶6的射流在密閉容器中產生的超壓峰值(64.9kJ)、泄壓釋能(18.2kJ)和總釋能(83.1kJ)均最高，釋能效果最好。

(2)在純鋁中加入質量分數30%～40%的鐵顆粒的射流所釋放能量達到21.64kJ/g，是純鋁射流的2倍，使鋁氧化釋能效率大幅提高，當鐵的質量分數超過40%會對射流釋能效率起到阻礙作用。

(3)Fe/Al含能射流釋能原理是：當鋁質量分數為60%～70%時，Fe/Al射流在受沖擊加載后可以最大限度促成鋁與鐵的氧化反應以及鋁熱反應，同時抑制放熱量低的鋁鐵金屬間化合反應發生。