氟聚物基活性材料動態壓剪實驗研究

葛超， 曲卓君， 王晉， 胡蝶， 王海福

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

氟聚物基活性材料是一類以含氟聚合物、活性金屬為基礎組分，添加其他功能組分，經混合、冷壓、燒結等工藝制備而成的含能材料，具有高機械強度、高能量密度、高鈍感安全的典型特征。通常情況下，處于惰性亞穩態，但在高應變率強沖擊加載下，氟聚物基體和活性金屬間會發生化學反應，快速釋放大量化學能，導致材料整體發生爆燃。以上獨特材料特性和動力學響應行為，使氟聚物基活性材料應用于殺爆戰斗部破片、聚能戰斗部藥型罩、侵徹戰斗部桿芯等毀傷元，可通過動能與爆炸化學能時序聯合毀傷機理和先穿后爆毀傷模式，為大幅提升戰斗部毀傷威力開辟新途徑。

針對聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)活性材料，基于動/靜態壓縮實驗、跨尺度數值仿真等手段，改變材料配比、制備工藝，國內外學者已開展了較為系統研究。但作為典型聚合物基復合材料，在表征其力學性能時，動態加載下的溫度效應扮演著重要重要角色，尤其是應用于毀傷元作用目標高應變率加載條件下，溫度及熱效應對材料力學性能的影響，更是氟聚物基活性材料設計、工程應用亟需解決的關鍵問題。

本文針對典型PTFE/Al(質量分數73.5%/26.5%)氟聚物基活性材料，開展不同應變率、不同溫度下的準靜態、動態壓縮實驗；基于不同預設剪切帶寬度的帽狀試樣，開展不同應變率下的動態壓剪實驗，系統分析氟聚物基活性材料力學特性，為氟聚物基活性材料設計及應用提供支撐。

1 實驗方法

1.1 材料制備

PTFE/Al(質量分數73.5%/26.5%)活性材料制備過程主要包括組分混合、模壓成型、燒結硬化3個步驟。首先，在50 ℃真空條件下，對PTFE和Al粉干燥24 h，充分干燥的組分粉體隨后通過三軸剪切混合設備進行干混，獲得均勻性良好的組分混合粉體。然后，在70～80 MPa壓力下，通過13 mm×13 mm 模具對組分混合粉體進行初步模壓，保壓時間10 min，并進一步在220～250 MPa壓力下，對初步模壓成型的材料試樣進行冷等靜壓制10 min，獲得模壓成型試樣。最后，在惰性氛保護下，通過高溫燒結設備，經一定升溫、保溫、降溫歷程，獲得燒結硬化氟聚物基活性材料試樣。燒結溫度時間歷程曲線如圖1所示，材料試樣如圖2所示。

圖1 燒結溫度時間歷程曲線Fig.1 Time history of the sintering cycle

圖2 PTFE/Al活性材料試樣Fig.2 PTFE/Al specimens

1.2 準靜態及動態壓縮實驗

PTFE/Al活性材料準靜態力學性能測試參照 國家標準GB/T 1039—1992，在標準實驗室環境條件下(溫度 23 ℃±2 ℃，相對濕度30%～40%)進行測試，試樣采用標準尺寸10 mm×10 mm，加載速度為0.6 mm/min，對應加載應變率為0.001 s。

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式中：、、分別為壓桿彈性模量、聲速和橫截面積；為預設剪切帶截面積，通過剪切帶材料圓環內、外截面積取平均值計算；()、()分別為透射和反射應變；為試樣厚度。

1.3 動態壓剪實驗

PTFE/Al活性材料動態壓剪實驗基于SHPB測試系統和帽狀試樣開展。通過在試樣中預設模擬剪切帶，動態加載條件下，模擬剪切帶內材料將處于純剪狀態。實驗中，帽狀試樣上端直徑=5 mm，高度為=4 mm，底端外徑=10 mm，底端高度=3 mm；剪切帶高度=3 mm，預設寬度分別為500 μm、300 μm、100 μm，對應試樣底端內徑分別為60 mm、56 mm和52 mm。3種剪切帶寬度的試樣分別表示為S1、S2和S3，如圖3所示。

圖3 帽狀試樣結構及實物Fig.3 Structure and photo of the hat-shaped specimens

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由于氟聚物基活性材料動態加載條件下可能產生點火反應，因此設計箱體進行防護，同時進行試樣回收。動態壓縮及壓剪測試過程通過高速攝影系統記錄，測試后回收試樣微觀結構及形貌通過掃描電鏡(SEM)進行表征。動態壓縮及壓剪實驗方法如圖4所示。圖4中()為入射應變。

圖4 動態壓縮及壓剪實驗方法Fig.4 Configuration of dynamic compression and compression-shear tests

2 準靜態力學特性

針對PTFE/Al活性材料試樣，開展3組準靜態壓縮力學性能測試，準靜態真實應力- 應變曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，準靜態壓縮條件下，材料變形可分為兩個主要階段：彈性變形階段和塑性變形階段。在彈性變形階段內，應力隨應變近似線性快速上升，可通過彈性模量表征。彈性變形末段材料發生屈服，隨后進入塑性變形階段，應力隨應變上升減緩，體現出一定應變硬化效應，可通過硬化模量表征。至壓縮至真實應變1.2，應力- 應變曲線未發生下降，表明材料未發生顯著破壞失效，材料準靜態力學性能參數列于表1。

圖5 PTFE/Al準靜態壓縮應力- 應變曲線Fig.5 Quasi-static stress-strain curves of PTFE/Al

表1 PTFE/Al 準靜態力學參數

3 動態壓縮力學特性

不同應變率及溫度條件下的PTFE/Al活性材料動態應力- 應變曲線分別如圖6(a)和圖6(b)所示。在應變率3 600～7 500 s范圍內，應力- 應變曲線均呈典型彈塑性特征，由彈性階段、塑性階段和卸載階段組成。在彈性階段，不同應變率下曲線基本重合，且屈服點接近。材料屈服后，應力隨應變快速升高，體現出應變硬化效應。同時，應變率越高，材料強度越高，塑性段應力應變曲線斜率越大，即硬化模量越大，表明材料具有顯著應變率硬化效應。

圖6 PTFE/Al動態壓縮應力- 應變曲線Fig.6 Dynamic compression stress-strain curves of PTFE/Al

加載應變率4 000 s，溫度分別為20 ℃、100 ℃、150 ℃和200 ℃條件下，隨溫度升高，材料屈服強度、抗壓強度、硬化模量等力學參量均顯著下降，表明PTFE/Al活性材料具有顯著的熱軟化效應。

4 動態壓剪力學特性

在剪切應變率分別為21 000 s和31 000 s條件下，S1試樣動態變形過程如圖7所示。入射脈沖傳播至壓桿/試樣端面后，部分入射波傳入試樣并對試樣進行加載。隨入射波傳至試樣上端圓柱上表面，預設剪切帶內的材料開始發生純剪變形。進一步壓縮作用下，剪切帶內剪應力集中及變形愈發顯著，局部溫升及變形導致材料發生破壞，同時試樣下端圓柱發生鐓粗變形。加載應變率進一步增加條件下，剪切帶內熱效應及溫升局部化將進一步加劇，材料快速失效破壞將導致帽狀試樣上端被整體剪切脫落，下端碎裂飛散。不同加載應變率下，帽狀試樣變形及破壞情況如圖8所示。

圖7 S1試樣動態變形過程Fig.7 Deformation process of S1 specimen

圖8 不同應變率下帽狀試樣變形及破壞情況Fig.8 Deformation and failure of hat-shaped specimens under different strain rates

動態壓剪條件下，3種不同剪切帶寬度PTFE/Al活性材料試樣剪切應力- 應變曲線如圖9所示。從圖中可以看出，在不同加載條件下，剪切應力- 應變曲線均呈現相似變化趨勢，剪切應力首先隨剪切應變快速升高至最大值，隨后快速下降，且可劃分為彈性段、塑性段、失效段3個階段。對S1試樣，彈性段基本重合，但對S2和S3試樣，彈性段散布逐漸增加，主要由預設剪切帶寬度差異導致。彈性變形后，3種試樣經短暫塑性變形，在高應變率剪切加載下，應力- 應變曲線快速下降至最低值。隨后剪切應力- 應變曲線又有所上升，主要是由壓桿與帽狀試樣下端短柱肩部接觸造成。隨加載應變率增加，材料剪切強度增加，表明PTFE/Al活性材料有剪應變率增強效應。同時對比可知，S3試樣應力- 應變曲線散布及振蕩最為顯著，主要是由S3試樣預設剪切帶寬度最小，動態加載下局部失穩變形及熱效應導致。剪切應力- 應變曲線與試樣動態響應對應關系如圖10所示。在剪應變率31 000 s條件下，隨預設剪切帶寬度減小，材料剪切失效應力、應變均顯著減小，主要原因在于，PTFE/Al活性材料熱傳導系數低，預設剪切帶寬度越小，動態加載下局部變形導致的絕熱溫升越顯著，體現了聚合物基復合材料力學性能的尺寸效應。PTFE/Al剪切材料參數列于表2。

圖9 PTFE/Al動態壓剪應力- 應變曲線Fig.9 Shear stress-strain curves of PTFE/Al

圖10 應力- 應變曲線與試樣變形對應關系Fig.10 Specimen deformation and the corresponding shear stress-strain curve section

表2 PTFE/Al動態剪切材料參數

不同加載應變率、不同溫度下動態壓縮、壓剪測試所得PTFE/Al材料強度對比如圖11所示。對動態壓縮而言，隨應變率增加，材料抗壓強度顯著增加。對比之下，隨測試溫度從20 ℃升高至200 ℃，材料抗壓強度顯著降低。對于帽狀試樣壓剪測試而言，預設剪切帶寬度一定時，剪切應變率增加，材料剪切失效強度增加，但隨預設剪切帶寬度減小，材料整體剪切破壞強度顯著降低。以上對比均表明，氟聚物基活性材料是一種典型具有應變率硬化效應、溫度軟化效應的聚合物基復合材料。在力學性能尺寸效應影響下，預設剪切帶寬度越小，高應變率動態加載下局部熱效應及熱軟化效應越顯著，從而導致材料剪切強度不斷減小。

圖11 不同測試條件下PTFE/Al抗壓強度Fig.11 Compressive strength of PTFE/Al under different test methods

5 細觀結構分析

動態壓剪實驗后，選擇帽狀試樣失效破壞及斷口處4個位置，通過SEM進行表征，如圖12所示。首先，觀察試樣斷口位置可發現3類典型特征：沿剪切方向同向排布的條狀PTFE基體、未變形的金屬鋁顆粒和致密的PTFE纖維網絡。初始加載階段，在壓縮波作用下，帽狀試樣上端與下部圓柱間產生相對運動，隨后導致試樣在預設剪切帶部位發生破壞，且沿加載方向形成排列整齊的條狀PTFE。隨加載過程繼續，加載脈沖逐漸達到幅值，剪切帶區域活性材料高速局部變形產生熱量并不斷累積，導致材料發生絕熱溫升，局部熱軟化最終導致材料進一步發生破壞并形成PTFE纖維網絡。預設剪切帶寬度越小，動態壓剪作用下局部絕熱溫升、熱軟化效應越顯著，材料剪切失效強度越低，與實驗結果一致。

圖12 預設剪切帶破壞形貌Fig.12 Microscale structure of the fracture surface

從毀傷模式角度看，則主要包括氟聚物基體/金屬顆粒脫粘和基體材料斷裂破壞。但在圖12中，僅可觀察到少量氟聚物基體/金屬顆粒脫粘現象，表明氟聚物基體材料破壞是導致材料整體破壞的主要原因。

6 結論

本文通過準靜態壓縮、不同應變率和不同溫度動態壓縮、基于帽狀試樣的動態壓剪實驗，系統分析了PTFE/Al活性材料動力學響應行為及力學性能研究。得出以下主要結論：

1)準靜態(10s)及不同應變率(3×10～7×10s)、不同溫度(20 ℃，100 ℃，150 ℃，200 ℃)條件下的動態壓縮實驗表明，PTFE/Al活性材料是一種典型的彈塑性材料，具有顯著應變硬化、應變率強化和熱軟化效應。在20 ℃條件下，隨應變率從3 600 s增加至7 500 s，材料抗壓強度從 72.03 MPa 增加至114.85 MPa。在4 000 s應變率條件下，隨溫度從20 ℃升高至200 ℃，材料抗壓強度從85.75 MPa降低至42.16 MPa。

2)基于帽狀試樣的動態壓剪實驗表明，預設剪切帶寬度從500 μm減小至100 μm，動態加載下，預設剪切帶內局部熱效應及溫升影響效應愈發顯著，材料剪切強度從49.45 MPa降低至19.80 MPa，且剪切應力- 應變曲線振蕩及散布增加，體現出氟聚物基活性材料力學性能的尺寸效應。

3)動態剪切加載后，在預設剪切帶上端和下端可觀察到由初始剪切剪切加載造成的沿加載方向排布的條狀PTFE，在預設剪切帶中部可觀察到由局部溫升導致的致密PTFE纖維網絡，證明了氟聚物基活性材料力學性能的尺寸效應，揭示了預設剪切帶寬度對材料剪切強度影響機理。