爆炸驅動典型活性材料能量釋放特性研究*

杜 寧，張先鋒，熊 瑋，楊 瑩，黃炳瑜，陳海華

（1. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇永豐機械有限責任公司，江蘇 南京 210014）

活性材料通常是由兩種或兩種以上非炸藥材料混合而成，例如聚合物/金屬或金屬/金屬的混合物，在未來高效毀傷和防護技術上有非常廣闊的應用前景[1-3]。制備的活性材料強度已經可以達到數百兆帕，高強度意味著該類材料可作結構材料使用，使一些彈藥“惰性”部件或結構件能量化[4-6]。目前關于活性材料的應用研究主要集中在活性破片、活性藥型罩等活性毀傷元中，主要用于提高對目標的毀傷能力。

在表征活性材料沖擊反應釋能特性方面已開展了大量的試驗研究工作[7-8]，但現有的研究工作對活性材料爆炸驅動下的能量釋放特性關注不夠。在活性材料增強爆炸驅動毀傷效應研究方面，Clemenson[9]對爆炸驅動下活性材料能量釋放規律進行了研究，采用高速攝影、光譜法確定典型活性材料的爆炸驅動能量釋放特性，并通過改變活性材料的成分和殼體形狀，獲得殼體碎片的分布規律。Fabignon 等[10]、Orth 等[11]從活性材料能量釋放角度，向高爆炸藥和推進劑中添加活性金屬，提高材料的能量密度和能量輸出能力。Guadarrama 等[12]對常用作煙火劑的粉末材料及其炸藥耦合作用進行了研究，發現爆炸驅動下粉末拋射并釋放能量有利于提高空氣沖擊波峰值超壓。Frost 等[13]、Ames 等[14]從終點效應角度分析活性材料撞擊金屬板時形成碎片不僅可以產生動能損傷，還可以將這種動能與碎片沖擊耦合時快速化學反應產生的二次能量釋放，增強對目標的毀傷作用。目前，活性材料作為戰斗部殼體部件在爆炸驅動下能量釋放特性，包括溫度場分布、沖擊波的強化效果等尚不明確。

本文中，利用爆炸驅動試驗，研究典型Al/PTFE、Al/Ni 活性材料及Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料殼體在爆炸驅動下的能量釋放特性，分析不同材料殼體裝藥火球成形和演變情況、溫度場分布及空氣沖擊波峰值超壓等特性。同時，結合炸藥爆炸空氣沖擊波峰值超壓經驗公式，計算爆炸驅動下活性材料的釋能效率，分析該類材料反應釋能對空氣沖擊波的影響規律，以期為PTFE、Al/Ni 活性材料的化應用提供參考。

1 活性材料制備及力學性能測試

參考相關學者對典型活性材料的制備工藝[15-16]，制備Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料時分別采用了壓制燒結工藝和壓制工藝。燒結工藝是Al/PTFE 材料最終獲得結構強度的重要手段，對于Al/Ni 材料采用壓制可獲得較高的結構強度。該種方法具有制備成本低、工藝簡單的優點。粉末壓制成型工藝主要包括混合、干燥、模具壓制和燒結等過程[17]，其制備流程見圖1。其中Al 粉、Ni 粉和W 粉平均粒徑均約為75 μm，PTFE 為絮狀材料。Al/PTFE 材料燒結時采用的溫度和時間如圖2 所示。通過粉末壓制工藝制備的Al/PTFE、Al/Ni 圓柱體如圖3 所示。

圖 1 活性材料制備工藝流程Fig. 1 Preparation route of energetic structural materials

采取壓制工藝制備了Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W 惰性材料殼體，用于開展對比研究。在惰性材料Al2O3/PTFE/W 中，成分W 非常穩定，基本不參與反應，主要起增大密度的作用[18]。通過調整各組分的質量百分比，保證惰性材料的質量、密度、密實度等參數與活性材料基本一致。通過粉末壓制成型工藝制備的殼體材料參數如表1 所示。其中，Qm為每克活性材料釋放的化學能；σ 為材料準靜態壓縮屈服強度，由準靜態壓縮試驗確定，試驗應變率為0.001 s?1；ρ 為不同材料殼體的密度，m 為不同材料殼體的質量。

圖 2 Al/PTFE 活性材料燒結工藝曲線Fig. 2 Sinter curve of Al/PTFE energetic structural materials

圖 3 粉末壓制工藝制備Al/PTFE、Al/Ni 材料Fig. 3 Al/PTFE and Al/Ni materials by powder compaction

表 1 材料性能參數Table 1 The parameters of materials

2 活性材料爆炸驅動能量釋放特性試驗

2.1 活性材料爆炸驅動裝置

活性材料爆炸驅動裝置結構示意圖如圖4所示，主要由傳爆藥柱、炸藥裝藥、尼龍襯套、殼體、下蓋板等組成，其中殼體材料分別為表1中的4 種材料。試驗裝置照片如圖5 所示，其中，炸藥裝藥為 ? 30 mm×37 mm 的8701 藥柱，密度為1.7 g/cm3，裝藥質量為44 g；活性材料外徑為50 mm，內徑為34 mm；尼龍襯套壁厚1.7 mm。雷管座主要用于固定雷管及傳爆藥柱，并與藥柱下蓋板一起約束爆轟產物，控制爆轟產物的飛散方向。

圖 4 約束裝藥示意圖Fig. 4 Schematic diagram of confined charge

圖 5 活性材料爆炸驅動裝置Fig. 5 Explosive loading device of energetic structural materials shells

2.2 試驗測試方案

試驗布局如圖6 所示，將該裝藥結構置于PVC 塑料管支架上，距離地面1.5 m。運用YD-202 壓電式壓力傳感器測量爆炸驅動下自由場空氣沖擊波峰值超壓。采用高速攝影、遠紅外熱像儀測試火球爆炸參數、溫度場分布特點。活性材料爆炸驅動裝置與壓力傳感器、高速攝影、遠紅外熱像儀的水平距離分別為1.8、22、22 m。其中，爆炸驅動過程由高速攝影以5 000 s-1的速度進行拍攝，捕捉不同材料爆炸驅動過程中火光結構的瞬態演變過程。試驗使用美國Flir 公司生產的SC7000 遠紅外熱像儀，該儀器具有測試精度高、靈敏度高等特點，能夠實時監控記錄樣品爆炸及輻射性能的動態變化。儀器波長范圍為7.7～9.2 μm，測試頻率為200 Hz，鏡頭焦距為25 mm，發射率為1。此外，為了研究活性材料的撞擊反應行為，在距離裝藥水平距離2 m 處設置了一塊尺寸為600 mm×600 mm×10 mm 的鋼板。為了得到科學、合理的試驗結果，對每種材料試驗重復2 次，并且對典型試驗結果進行分析。

圖 6 試驗布局Fig. 6 Experimental layout

2.3 試驗結果的分析與討論

炸藥爆炸后產生的毀傷方式主要有沖擊波毀傷和熱毀傷等。其中，熱毀傷主要通過爆炸火球參數進行表征，爆炸火球參數主要包括火球直徑、持續時間、火球溫度。此外，空氣沖擊波峰值超壓能夠反映空氣中爆炸的特征[19]。基于此，對4 種不同殼體材料進行爆炸驅動試驗，以便全面分析活性材料在爆炸驅動下的能量釋放特性。

2.3.1 爆炸作用過程高速攝影觀測結果

通過高速攝影記錄的不同材料爆炸驅動下火球成形和演變情況見圖7。試驗結果表明，炸藥爆炸后產生了明顯火光。隨著時間的增長，火光先增強再逐漸減弱。將初始出現火光的時間設定為零，可以發現爆炸驅動后，Al/PTFE 火光持續時間較長（15.4 ms），并在最后產生大量的黑煙；而Al2O3/PTFE 惰性材料，由爆炸產生的火光在1.4 ms 后迅速減弱甚至消失。Al/PTFE 火光持續時間約是Al2O3/PTFE 的11 倍（15.4/1.4）。另一方面，Al/Ni 在爆炸驅動下，55.6 ms 后火光消失，可見少量黑煙；而Al2O3/PTFE/W 惰性材料，隨著時間的增長火光迅速消失，惰性材料向四周飛散，伴有白色霧狀煙。Al/Ni 火光持續時間約是Al2O3/PTFE/W 的39.7 倍（55.6/1.4）。此外，通過高速攝影照片可以測量不同時刻火球直徑。在0.2 ms時，Al/PTFE 和Al2O3/PTFE 火球直徑分別為1 035.9、616.6 mm，前者比后者相對增大68%；Al/Ni 和Al2O3/PTFE/W 火球直徑分別為428.8、394.1 mm，火球直徑相差不大。

試驗結果表明，活性材料均比惰性材料火光更強，這是因為活性材料在爆炸驅動的強加載條件下發生了化學反應，釋放一部分能量，增強炸藥爆炸產生的火光。另一方面，材料破碎后，爆轟產物沖出并將其包圍起來，破碎的材料仍受到爆轟產物的推動，此時活性材料持續反應并釋放能量，延長火光持續時間，增強火光亮度和增大火球直徑。

2.3.2 爆炸作用過程溫度場分布特點

試驗中利用遠紅外熱像儀測試不同材料爆炸驅動下溫度場分布及輻射性能。圖8 為不同材料裝藥爆炸過程中典型時刻的紅外熱像圖。由圖8 可知，炸藥爆炸殼體材料及產物飛散區有明顯的溫度升高，且溫度區域層次清晰。將熱像圖由內到外分為高溫區、過渡區、低溫區3 個區域，其中，紅色為高溫區，該區域主要集中在爆炸中心；最外層粉色為低溫區，兩者之間為過渡區。可以觀察到，從20 ms 到30 ms的時間段中，不同材料的輻射面積和高溫區域均減小。其中，惰性材料溫度區域的連續性和亮度均明顯降低。隨著時間的增長，不同材料最外層的粉紅色低溫區域先消失，中心高溫區域向四周擴散，重新呈現層次分明的溫度區域，最終溫度區域將減小直至消失。

圖 7 不同材料爆炸驅動下火球成形和演變情況Fig. 7 Morphology and evolution of the fireballs for the four charges with different materials

圖 8 不同材料特定時刻熱像圖Fig. 8 Thermal images of different materials at different times

圖9 為不同材料爆炸驅動下的熱像圖隨時間的變化。由圖9 可知：5～20 ms 時，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 均形成穩定傳播的熱像圖；20 ms 后，Al/PTFE 熱像圖溫度區域緩慢減小，而Al2O3/PTFE 惰性材料的熱像圖溫度區域迅速減小，直至消失。這是因為Al/PTFE 參與化學反應，并釋放能量，增大炸藥爆炸產生的輻射面積、高溫區域，延長持續時間。

圖 9 不同材料爆炸驅動下的熱像圖隨時間的變化規律Fig. 9 Thermal images of different materials at different times under explosive loading

通過熱像圖測量了輻射面積，用于分析爆炸作用過程溫度場分布及其隨時間的變化規律。爆炸驅動下不同材料輻射面積及高溫區輻射面積隨時間變化曲線分別見圖10～11。

圖 10 輻射面積隨時間變化曲線Fig. 10 Radiation area varying with time

圖 11 高溫區輻射面積隨時間變化曲線Fig. 11 Radiation area of high temperature region varying with time

由圖10 可知，4 種材料輻射面積隨時間變化總體趨勢一致，隨著時間的增長，輻射面積減小。其中，惰性材料比活性材料輻射面積減小速度更快，惰性材料（Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W）輻射面積相差不大，二者吻合較好。5～20 ms 時，4 種材料輻射面積差距較小。超過20 ms 后，隨著時間的增長，活性材料與惰性材料間的輻射面積差距逐漸增大。對于Al/PTFE 材料，其輻射面積在5～40 ms 內接近水平狀態，沒有明顯的變化，40 ms 后輻射面積逐漸減小；55 ms 時Al/PTFE 輻射面積是Al2O3/PTFE 的5.3 倍，Al/Ni 輻射面積是Al2O3/PTFE/W 的8.6 倍。Al/Ni 材料在45 ms 前輻射面積緩慢減小，45～70 ms 時趨于水平，沒有明顯的變化。惰性材料的輻射面積始終處于減小狀態。這是因為活性材料在爆炸驅動下，一部分材料持續反應并釋放能量，形成穩定傳播的輻射區域。結合圖8 可知，隨著時間的增長，活性材料在爆炸驅動下的輻射面積呈現更強的連續性，亮度更高，結構更飽滿。對比圖11 中4 種材料的高溫區面積可以發現，活性材料（Al/PTFE 和Al/Ni）的高溫區面積顯著大于相應的惰性材料（Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W）的高溫區面積。這是因為炸藥爆炸瞬間，在爆轟壓力的作用下，活性材料發生化學反應釋放的能量對溫度的升高產生了較大的貢獻。

2.3.3 爆炸沖擊波測試結果

由壓力傳感器測得的1.8 m 處活性材料與相應惰性材料壓力-時間曲線見圖12。由于Al/Ni 材料產生的碎片飛散到傳感器上時使其損壞，因此未測到爆炸驅動下該材料空氣沖擊波峰值超壓。

從圖12 可知，Al/PTFE、Al2O3/PTFE 壓力隨時間變化趨勢相同。但是，Al/PTFE 材料空氣沖擊波峰值超壓（43.3 kPa）高于Al2O3/PTFE 峰值超壓（30.2 kPa）。Al/PTFE 材料空氣沖擊波正壓作用時間（1.3 ms）、比沖量（9.7 N·s/m2）分別高于Al2O3/PTFE 正壓作用時間（1.1 ms）、比沖量（4.8 N·s/m2）。這是因為活性材料在爆炸驅動下破裂并反應，破碎的材料持續反應并釋放能量，對形成的爆炸波產生了強化作用。通過波的到達時間及峰值壓力可以量化活性材料爆炸驅動下瞬間能量釋放[20]。另外，Al2O3/PTFE、Al2O3/PTFE/W兩種惰性材料空氣沖擊波峰值超壓相差不多。

圖 12 不同材料超壓隨時間的變化曲線Fig. 12 Overpressure-time curves of different materials

2.3.4 活性材料爆炸驅動空氣沖擊波強化效應

（1）活性材料爆炸驅動反應行為

不同材料碎片撞擊鋼板的試驗結果見圖13。從圖13（a）和（c）可知：Al/PTFE 材料和Al/Ni 材料在0.2 ms 時由于爆炸驅動作用已向四周飛散，爆炸中心處有明顯火光，飛散的材料在到達鋼板前未出現明顯火光；1.6 ms 和18.4 ms 時，兩種活性材料碎片已分別撞擊右側鋼板，在爆炸中心及右側鋼板處均可觀察到明顯的火光，而在左側相同位置處（無鋼板）并未出現火光。圖13（b）和（d）分別為惰性材料Al2O3/PTFE 和Al2O3/PTFE/W 碎片在達到鋼板前、后的試驗現象，可以發現，兩種惰性材料撞擊鋼板后未產生火光，且爆炸中心處的火光相對活性材料較弱。該現象說明，Al/PTFE 和Al/Ni 材料在爆炸驅動下未發生完全化學反應。炸藥爆炸瞬間，在爆轟壓力的作用下，僅有一部分活性材料參與反應并釋放能量，在爆炸中心處可見火光明顯增強。另一方面，未反應的碎片向四周飛散，在飛散過程中撞擊鋼板并有部分活性材料發生后續反應。

圖 13 不同材料碎片撞擊鋼板的試驗結果Fig. 13 Experimental results of fragments with ·different materials impacting steel targets

此外，對比圖13（a）和（c）可知，炸藥爆炸瞬間，Al/PTFE 材料產生的火光比Al/Ni 更強；而爆炸驅動下的Al/Ni 材料和Al/PTFE 材料撞擊右側鋼板后，則出現相反的結果。該現象說明，在爆炸驅動作用下，Al/Ni 材料的反應延遲時間相對于Al/PTFE 材料更長，爆炸瞬間釋放能量更少，在爆轟產物的推動過程中和撞擊鋼板后才逐漸釋放能量，產生更強的火光。

（2）沖擊波強化效應的分析計算

沖擊波峰值壓力是表征爆炸空氣沖擊波的主要參數之一。定義p 為空氣沖擊波陣面壓力，p0為未經擾動時的空氣壓力，那么Δp=p?p0稱為峰值超壓。通常采用空氣沖擊波峰值超壓經驗計算公式[21]對爆炸沖擊波壓力隨距離變化的規律進行描述：

對于活性材料引入帶有能量釋放的ω 方程形式：

式中：y 為反應度，M 為炸藥質量，m 為活性材料質量，Qm為每克活性材料釋放的化學能。

對于帶殼裝藥爆炸[21]，Mi代替M：

式中：α=M/(m+M)，r0為初始殼體半徑； γ 為空氣的比熱比，取1.4；rp0為殼體膨脹破裂半徑，對于韌性材料，鋼殼可近似取1.5r0，銅殼取2.24r0，脆性材料或預制破片此值應小些[21]。由文獻[22]可知，材料的膨脹半徑主要與屈服強度有關。綜合分析，活性材料與惰性對比材料的膨脹半徑近似取1.2 r0。

為了驗證該經驗公式的有效性，研究中對44 g 裸藥柱、Al2O3/PTFE 分別進行了爆炸驅動試驗。試驗測得44 g 裸藥柱爆炸后，在2.2 m 處的空氣沖擊波峰值超壓為27.1 kPa，相應理論計算結果為25.3 kPa。試驗測得Al2O3/PTFE 爆炸驅動下1.8 m 處沖擊波超壓為30.2 kPa，相應理論計算結果為31.7 kPa。理論計算與試驗測試值誤差小于6.5%，說明式（1）可以用于計算活性材料爆炸驅動空氣沖擊波峰值超壓。

壓電傳感器測試爆炸參數見表2，其中，Qt為殼體總化學能。通過計算可知，若Al/PTFE 發生完全化學反應，其峰值超壓應為85.9 kPa，而試驗測得峰值超壓為43.3 kPa，說明爆炸驅動下Al/PTFE 并未完全反應。將測得的Al/PTFE 空氣沖擊波峰值超壓代入式（1），可以計算活性材料反應度為17.48%。

表 2 壓電傳感器測試爆炸參數Table 2 Test data by piezoelectric sensors

Guadarrama 等[12]開展了不同材料爆炸驅動下沖擊波峰值超壓試驗研究，得到不同材料爆炸驅動形成沖擊波峰值超壓。運用本文中所改進的空氣沖擊波峰值超壓經驗式計算文獻[12]的試驗值，得到不同材料爆炸驅動下反應度，見表3。

表 3 不同材料在爆炸驅動下反應度計算結果Table 3 Calculation results of reactive efficiency of different materials under explosion loading

由表3 可知，活性材料在爆炸驅動下的反應度在17.39%～26.85%之間，說明爆炸驅動下材料僅釋放一部分能量對爆炸沖擊波產生一定的強化作用。試驗結果在文獻結果區間內，說明本文考慮活性材料釋放化學能的沖擊波峰值超壓計算公式可以用于描述活性材料釋放量對形成爆炸波產生的強化作用。

3 結 論

以Al/PTFE、Al/Ni 典型活性材料為研究對象，通過火球成形和演變情況、溫度場分布、輻射面積、空氣沖擊波峰值超壓、活性材料反應釋放量對形成爆炸波產生的強化作用等，研究典型活性材料的能量釋放特性，所得結論如下：

（1）爆炸驅動下，Al/PTFE 迅速發生化學反應，釋放能量，延長火光持續時間，增大火球直徑和溫度場區域輻射面積。而Al/Ni 反應延遲時間相對于Al/PTFE 材料更長，在初始時刻與惰性材料的爆炸火光差異不大，但在爆轟產物的推動過程中逐漸釋放能量，產生了比Al/PTFE 更大的火球。此外，兩種材料在爆轟作用下產生的碎片撞擊鋼板后，并有部分活性碎片發生了后續反應。

（2）活性材料在爆炸驅動過程中經歷了強加載條件下反應、產生碎片并向四周飛散、撞擊鋼板及后續反應等階段。試驗測得Al/PTFE 材料空氣沖擊波峰值超壓（43.3 kPa）遠高于Al2O3/PTFE 峰值超壓（30.2 kPa），通過本文中建立的活性材料空氣沖擊波峰值超壓預測模型，證實了爆炸加載瞬間材料僅發生了部分化學反應。