典型氟聚物基活性材料冲击反应特性研究

摘要

氟聚物基活性材料作为新型含能结构材料的一个重要分支，是一种主要以高氟含量（质量分数＞70％）的聚合物为基体、活性金属为填料并通过特定工艺（如研磨造粒、粉末混合、粉末压实、真空烧结等）制备而成的冲击引发反应类材料，因具有高能量水平、独特的能量释能特性并在准静态条件下表现出不敏感性等优点在军事上有巨大的应用前景。氟聚物基活性材料在冲击作用下会引发化学反应，其化学反应过程及释能速率特性受材料组分、孔隙率、颗粒尺寸等宏细观参数影响较大。本文以典型的氟聚物基活性材料(Al/PTFE/W)为研究对象，通过材料的高压物态方程与冲击温升计算模型、非均质材料化学反应动力学模型、飞片撞击与准密闭反应容器实验等研究，揭示了活性材料的冲击反应释能特性及毁伤作用规律，为活性材料在弹药中的应用提供理论依据与技术支撑。主要研究内容如下: (1)开展氟聚物基活性材料的制备工艺以及不同组分配比、颗粒尺寸的活性材料准静态压缩力学性能研究 以典型氟聚物基活性材料Al/PTFE/W为研究对象，采用粉末混合、模压成型和真空烧结等成型工艺制备出不同方案的活性材料试件;开展了活性材料在应变率为10-3s-1条件下的准静态压缩实验，获得材料的真实应力-应变曲线。并结合拍摄的细观照片，研究了不同方案的活性材料的失效行为，揭示了材料的微观结构对力学性能及失效模式的影响规律，提出了改善材料力学强度的技术途径。研究结果显示，降低Al颗粒粒径、适当地添加金属材料W可有效提高材料抗压强度和弹性模量。 (2)针对活性材料含孔隙、多组分以及氟聚物基体低熔点的特性，开展活性材料的高压物态方程以及冲击温升计算模型研究 首先，分别对描述密实态固体材料的三项式物态方程其中各项进行了优化选择，通过Grüneisen物态方程对比分析了描述固体物质冷能的Born-Mayer势、Morse势对于不同晶体类型（金属晶体、分子晶体）的适用性;并对品格项在中低温区域的适用性进行了扩展优化。其次，根据混合物的冷能叠加和质量平均原理，建立了疏松态混合物材料的三项式物态方程;通过对典型密实单质材料、密实态合金和疏松态混合物的冲击压缩参数进行计算，与实验结果的对比验证了完善后的计算模型可较好地描述密实态和疏松态混合物的冲击压缩特性。最后，考虑固液相变过程中的熵增及摩尔热容的变化建立了包含固液相变的冲击温升计算模型，并对以低熔点PTFE为基体的活性材料进行计算。 (3)针对不同组分配比、密实度的活性材料开展动态冲击压缩特性验证实验研究 利用一级轻气炮实验平台开展了典型氟聚物基活性材料在中低速区间的冲击压缩实验，获取了活性材料的冲击Hugoniot参数，着重对比分析了组分配比和密实度对活性材料冲击压缩特性的影响。实验研究结果显示，提高活性材料中的冲击压力以及增大压力脉冲持续时间均能促进活性材料的冲击反应释能;考虑了氟聚物基体材料在冲击压缩过程中的相变建立的三项式高压物态方程可较好地描述氟聚物基活性材料的冲击响应行为。并获取了低冲击加载速度下的材料细观照片，证明活性材料在冲击脉冲的作用下确实发生了局部化学反应，生成了AlF3晶体和C;局部区域的PTFE基体在冲击条件下发生了熔融相变。 (4)基于气固反应模型，开展活性材料的冲击引发化学反应动力学模型研究 针对着重研究的Al/PTFE/W活性材料，结合现有的PTFE热解速率方程、热解气体产物与Al颗粒的基元反应速率方程，基于多相反应的气固反应模型，采用冲击动力学和化学反应动力学相结合的方法，建立了考虑外扩散、内扩散以及界面化学反应等过程的非均质化学反应动力学模型。以冲击温度为输入参数，计算活性材料的反应程度随时间的变化关系;并根据反应系统的能量守恒，计算不同反应程度条件下系统反应后温度随时间的变化关系。建立的化学反应模型可反映出反应界面之间的传质过程，且能够较好地描述材料微观尺寸对反应速率的影响。 (5)开展氟聚物基活性材料冲击反应释能特性的验证实验研究 利用准密闭反应装置模拟活性材料的冲击反应释能过程，并按照特定的测试方法获取不同冲击速度下活性材料撞击释能后引起容器内部平衡压力的时程变化曲线。根据已有的密闭反应过程释能效率的计算方法，对活性材料在不同冲击速度下的化学反应程度进行计算，分析了金属添加物W的含量、材料密实度以及颗粒尺寸等对反应程度的影响。实验结果表明，本文基于温升控制的活性材料冲击引发化学反应动力学模型能够较好地描述活性材料的冲击反应释能规律，活性材料冲击释能效率受活性材料配方、材料特性参数及冲击速度影响明显。

目录

声明

摘要

符号说明

图表目录

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 Al／PTFE类材料工艺及动、静态力学性能研究进展

1．2．2高压物态方程及冲击引发化学反应模型研究进展

1．2．3冲击压缩实验研究

1．2．4冲击释能行为及毁伤效应研究进展

1．3本文的研究目的、方法及主要内容

2氟聚物基活性材料的准静态力学性能研究

2．1引言

2．2主要原材料及仪器设备

2．3氟聚物基活性材料的成型工艺

2．4氟聚物基活性材料准静态力学性能实验

2．4．1准静态压缩实验方法

2．4．2准静态压缩实验方案

2．4．3准静态压缩实验结果及分析

2．5氟聚物基活性材料的微观结构与失效分析

2．5．1典型活性材料试件压缩前的微观结构照片

2．5．2典型活性材料试件压缩后的断面形貌

2．5．3材料微观结构与压缩失效模式分析

2．6本章小结

3考虑冲击相变的高压物态方程

3．1引言

3．2冲击波引起的相变

3．2．1相变热力学与冲击相变

3．2．2材料的冲击相变分析与判据

3．3单质材料固相区的高压物态方程

3．3．1单质材料固相区的三项式物态方程

3．3．2单质材料围相区的冲击温度

3．3．3计算结果与分析

3．4混合物材料的高压物态方程

3．4．1密实态混合物固相区的物态方程计算

3．4．2疏松态混合物的物态方程计算

3．5固-液相区的冲击温度计算

3．5．2固-液相区的冲击温度计算

3．5．3典型单质材料的计算结果及分析

3．5．4典型氟聚物基活性材料计算及分析

3．6本章小结

4氟聚物基活性材料的冲击压缩实验研究

4．1引言

4．2冲击压缩实验装置

4．2．1冲击加载装置

4．2．2测速系统

4．2．3冲击参数测试装置

4．2．4试件固定及回收装置

4．3冲击压缩实验方案

4．3．1实验原理

4．3．2活性材料冲击压缩实验方案

4．3．3飞片及试件设计

4．4冲击压缩实验结果及处理

4．4．1冲击压缩实验结果处理方法

4．4．2 Al／PTFE活性材料的冲击压缩结果

4．4．3 Al／PTFE／W活性材料的冲击压缩结果

4．4．4实验结果对比分析

4．5理论计算结果与实验数据对比分析

4．6本章小结

5冲击引发化学反应动力学模型

5．1引言

5．2 Al／PTFE活性材料反应机制

5．2．1 PTFE的物理化学性质及热解

5．2．2 Al／PTFE活性材料的界面反应机理

5．2．3 Al／PTFE各基元反应速率方程

5．3气固反应动力学模型

5．3．1多相反应动力学处理方法

5．3．2各步骤单独控速时速率表达式

5．3．3同时考虑各步骤时速率表达式

5．3．4反应系统的能量守恒

5．4典型活性材料的冲击化学反应计算

5．4．1反应程度随时间的变化关系

5．4．2反应系统温度随时间的变化关系

5．5本章小结

6氟聚物基活性材料冲击反应特性实验研究

6．1引言

6．2冲击反应特性实验方案与布局

6．2．1活性材料试件方案

6．2．2准密闭反应容器

6．2．3瞬态压力测试系统

6．2．4冲击释能实验布局

6．3冲击反应特性实验结果

6．3．1喷射现象

6．3．2容器内部压力

6．4活性材料的冲击反应效率计算

6．4．1初始冲击压力的计算

6．4．2冲击物态方程及冲击温度计算

6．4．3冲击引发反应速率计算

6．5理论计算与实验结果对比分析

6．5．1理论计算结果

6．5．2理论计算与实验结果对比分析

6．6本章小结

7结束语

7．1研究工作总结

7．2本文的创新点

7．3今后研究的发展方向

致谢

参考文献

附录