摘要：分別使用落錘載入裝置和分離式霍普金森壓桿對燒結和未燒結工藝的活性破片進行載入，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效能和反應效能影響的研究。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效能。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效能和動態載入下的臨界反應效能。
關鍵詞： 臨界反應高度 反應效能 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，破片戰鬥部透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。在準靜態載入條件下，這種材料足夠鈍感不發生反應；然而在衝擊載入條件下，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載入過程，研究破片在高應變率載入下的力學效能和衝擊下的反應效能具有重要意義。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效能[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桿（SplitHopkinsonPressureBar,SHPB）和落錘高應變率載入下的臨界反應效能研究報道不多。落錘和SHPB是研究材料在中高應變率（102～104s-1）下力學效能的主要技術手段[12]。本工作主要針對燒結和未燒結活性破片，開展相關的力學效能和反應效能研究，以期獲得活性破片的力學效能和動態載入下的臨界反應效能。
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並攪拌均勻，在100MPa的壓力下壓制成型，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 準靜態實驗系統
準靜態實驗使用WDW-500E萬能材料試驗機對材料進行載入，透過控制試驗機的載入速度從而控制載入應變率，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，示波器取樣率為10MHz。
圖2SHPB系統
1.2.3 落錘載入系統
落錘載入實驗系統如圖3所示。實驗原理為透過改變落錘的下落高度來改變落錘的撞擊速度，從而實現不同的載入強度。試樣置於落錘的正下方，透過高速相機記錄載入過程中試樣發生的變化和反應過程，同時拍攝落錘上的圖示移動過程，透過數字影象相關處理（DigitalImageCorrelation,DIC）得到載入前後落錘速度的變化。圖3落錘載入實驗系統
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載入和測試功能，在應力波傳播的一維性和試樣受力均勻性假定的基礎上，透過入射杆上的應變片檢測入射訊號εi、杆與試樣接觸介面的反射訊號εr以及透射杆中的透射訊號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 活性破片的力學效能
2.1.1 準靜態力學效能
如圖4所示，使用WDW-500E萬能材料試驗機，在10-3s-1應變率下分別載入燒結和未燒結破片，得到2種材料的準靜態壓力。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，隨後應力解除安裝。載入後的變形試樣如圖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準靜態載入下燒結與未燒結材料的應力-應變關係
2.1.2 動態力學效能
使用SHPB分別對燒結和未燒結材料進行不同應變率載入，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。動態載入下：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；未燒結材料在載入後先經過彈性段，當達到屈服點後材料發生脆性破壞，然後解除安裝。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。相比於材料的準靜態屈服強度，在應變率為1500～2500s-1的動態載入下，其動態屈服強度約為準靜態屈服強度的2.8～3.3倍。
圖5準靜態載入後材料的變形情況；圖6不同應變率下的應力-應變曲線
2.2 落錘載入下活性破片的反應效能
使用10kg落錘直接衝擊載入活性破片材料，透過改變落錘的落高得到不同的載入速度，分別對燒結和未燒結材料進行0.8～1.3m落高下獨立載入試驗，透過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列出了落錘載入試樣的實驗結果。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；透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。透過上述結果可以判斷：燒結材料在落錘載入下發生反應的臨界落高約為1.15m，未燒結材料在落錘載入下發生反應的臨界落高約為1.25m。透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，透過高速攝影相機拍攝試樣的載入過程，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畫素。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，在載入過程中，350µs時試樣中間產生明顯的裂紋；隨著載入進行，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。透過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。透過對比兩種工藝下材料載入過程的高速攝影影象可以得到：燒結試樣在載入過程中為均勻壓縮變形，呈現彈塑性力學特性；而未燒結試樣在載入過程中呈現脆性材料特性，載入中較早出現碎裂，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效能和反應效能的影響，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佈的纖維狀組織，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佈，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，導致在動態載入過程中表現出不同的力學效能和反應效能。圖8（b）和圖8（d）為衝擊載入後兩種試樣的SEM影象。從圖8（b）可以看出，載入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：在載入彈性段，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，載入過程中金屬顆粒和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，應力解除安裝，材料表現出脆性力學特性。落錘載入活性破片，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，載入到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，並且壓縮載入時間長，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，在載入應力達到一定值時，區域性會先發生反應，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落高下落錘載入試樣的高速攝影影象；圖8燒結和未燒結試樣的SEM影象
3、結論
（1）燒結後的活性破片力學效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，在準靜態載入下屈服強度為26.3MPa，未燒結活性破片具有脆性力學特性，準靜態載入下屈服強度為18.4MPa；動態載入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）使用落錘載入活性破片時，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。
