1 引言
活性材料又称多功能含能结构材料，是指一种或多种金属通过一些特定的工艺制备，受到强烈的冲击加载时能发生化学反应释放能量，出现燃烧、爆轰等现象的金属化合物[1]。最早以活性破片的形式在Hugh E[2]的专利中提出。由于其制造成本低、运输储存安全性高、综合毁伤性能好等特点，被认为是防空反导战斗部构件的最佳材料，受到世界各国武器弹药研究机构的高度关注[3-4]。活性材料的研究者，往往希望活性材料作为破片在撞击目标时依靠撞击的冲击压力引发反应，保证在穿透目标之后引燃引爆后效物。而在此之前，活性材料会受到炸药爆炸产生的强冲击的直接作用，因此活性材料的力学行为和释能特性会受到一定程度的影响。但针对活性材料受到爆炸冲击后材料性能的变化的研究并不常见，研究爆炸加载对活性材料的影响有利于建立活性材料完整的作用过程，对建立完善的冲击起爆模型以及战斗部的设计具有重要的指导意义。
Al/Ni复合材料具有低密度、高熔点、高强度体重比和优秀的能量释放能力等优势，在不同温度、不同冲击压缩条件下发生化学反应并生成如NiAl3、NiAl、Ni2Al3或Ni3Al[5]。Al/Ni体系在外界条件刺激(加热、电流、激光等)下能发生放热反应，反应热为-118.4 kJ/mole[6]。Cheng ji等[7]使用累积叠轧焊的工艺制作了Al/Ni活性材料，并设计准密闭容器实验，发现Al/Ni活性破片在撞击靶板后发生化学反应释放出的能量超过数倍的动能，且撞击速度是反应程度的决定因素。在速度1 176 m/s时，10g(Al/Ni/W)活性破片穿透3 mm厚2A12铝板在27 L密闭腔体内释放2.23 kJ/g的化学能，约为动能的3倍[8]，所以Al/Ni材料用作活性破片具有很大的优势，破片撞击速度越高，反应释放出的化学能越多。而在力学性能方面，Al/Ni材料的显微组织[9]、制备工艺[10-11]和添加剂的种类[12]均能不同程度的影响材料的力学特性。本文针对Al/Ni活性材料，通过设计进行爆炸加载实验，并对爆炸前后的活性材料进行准静态力学试验，研究爆炸冲击对Al/Ni活性材料力学行为的影响。
2 爆炸加载Al/Ni活性材料
在实际弹丸爆炸的实验中，往往只能回收到预置的惰性破片，活性破片由于撞击目标发生化学反应或碎裂而消耗殆尽，为了研究Al/Ni活性材料受加载后的力学行为，需回收到受爆炸冲击后的材料。本研究设计爆炸加载的回收装置来收集足够的活性材料进行研究，同时对炸药爆炸的爆轰压力进行测试以准确描述爆炸加载的强度。
2.1 爆炸压力测试原理
爆轰波是沿爆炸物传播的强冲击波，爆压是爆轰波的压力，是炸药爆炸重要的基础参数。爆压通常是GPa数量级，且炸药爆炸是瞬时并伴随着超高温，强大的破坏力导致爆压等参数难以测量。通常使用经验公式估计炸药的爆压：
其中: ρ0为炸药的初始密度；D为炸药的爆速，故炸药的爆压取决于炸药的密度和爆速。
爆压的测试方式大多是通过测量爆炸的其他参数，再利用经验公式来进行间接换算，而由于经验公式的提出往往是建立在一些假设条件下，计算得到的数值参考意义有限，故本研究使用锰铜传感器，直接测得爆炸过程中爆轰波压力值随时间的变化。
锰铜传感器是一种基于材料的压阻效应而设计制作的压阻式高压传感器[13-15]。压阻式传感器的灵敏度高，线性、迟滞及重复性指标较好；易于小型化；固有频率高、高频测量性能好；既能测量动态压力、也能测量静态压力。在高压作用下，锰铜材料的内部载流子迁移率的改变引起材料电阻率的变化，虽然材料的电阻率还会受到温度变化的影响，但锰铜的温度系数很小，且在爆炸过程非常短甚至几微秒的反应时间内，传感器还来不及与周围介质发生热交换现象，故锰铜传感器很适合测量爆炸产生的高压。本研究选择北京理工大学的“H”型锰铜传感器，其电阻变化和压力大小之间的标定方程为：
P=(0.763 6±0.181 1)+(34.628 0±0.960 7)
整个测试系统结构如图1所示，主要包括提供稳定输出信号的恒流源、锰铜传感器、接收并记录储存信号的示波器。测试前将测试系统连通后，恒流源输出的信号在示波器中显示为一条恒定的恒流信号，实验过程中，当冲击波压力开始作用的同时，向脉冲恒流源传输一个启动信号，脉冲恒流源开始工作，输出一个电流恒定的脉冲信号，该信号给锰铜压力传感器供电，响应信号由示波器记录。为了保证示波器能够完整的记录爆轰冲击波的压力变化历程，该测试系统需要满足的条件是：脉冲恒流源的启动信号需要和冲击波开始传播的时间点同步；脉冲恒流源提供的脉冲段时间大于完整的冲击波经过传感器的时间;恒流源不能出现二次触发影响信号的记录。因此，实验需要正确的选择系统的同步触发方式、触发信号源和触发位置，并选择合适的恒流脉冲宽度。
图1 测试系统结构框图
Fig.1 Block diagram of the test system
2.2 爆炸加载试验
为了回收爆炸加载后的活性材料，设计制作内径为40 mm的钢壳，保证材料周围被包裹。本研究使用的Al/Ni材料的制备是将Al粉末(75 μm)和Ni粉末(75 μm)等体积混合，在行星球磨机中球磨一小时后以200 kN的压力在设计的钢壳内缓慢压制成型，材料压制成型之后多余的钢壳被加工切除以露出材料表面。爆炸加载活性材料实验布局示意图如图2，脉冲恒流源采用爆炸科学与技术国家重点实验室(SKLEST)研制的MH2012高速同步脉冲恒流源，数字存储示波器采用MDO4104C型号的数字示波器。将H型锰铜传感器两端的接口分别连接恒流源的输出端与示波器的输入端；恒流源的脉冲时间宽度选择100 μs以保证波形的完整记录，在炸药药柱上绕一圈漆包线，利用爆炸过后的电离场的导通能力作为脉冲恒流源的触发信号，炸药爆炸后，漆包线被导通给恒流源传递触发信号，恒流源提供100 μs的时间脉冲，脉冲时间内爆轰压力引起的传感器电阻变化将被完整记录下来。
图2 爆炸加载活性材料实验布局示意图
Fig.2 Schematic diagram of explosive loading of reactive materials
总共进行两次实验，分别使用8701与TNT炸药作为爆压源，药柱尺寸为φ60 mm×40 mm，装药密度分别为1.67 g/cm3与1.58 g/cm3。两次实验测量系统得到的电压与时间曲线如图3所示，曲线一开始的平台段是脉冲恒流源的典型的恒流信号，爆压加载在锰铜传感器上时，锰铜传感器电阻的变化值ΔR/R0等于电压的变化值ΔU/U0，在图像中读出曲线的平台段与峰值的数值，利用标定方程即可计算出爆轰波作用在活性材料的上的峰值压力。
图3 电压-时间曲线
Fig.3 Voltage-time curve
3 测试
通过爆炸加载实验，在钢壳内部收集到了比较紧实的AlNi材料。将回收到的活性材料加工成合适的尺寸，与未受到爆炸加载的活性材料同时进行力学测试，进行力学测试的试件类别如表1所示。
表1 试件类别
Table 1 Types of test pieces
代号AlNi材料制备工艺炸药类型峰值压力/GPa0粉末压制//1粉末压制后爆炸加载TNT14.32粉末压制后爆炸加载870121.3
采用HV-1000A自动转塔显微维氏硬度计进行硬度测试，正四棱角锥体压头压入待测试样表面并保压一段时间后卸载，在试样表面留下正四棱角锥压痕，其维氏硬度可根据如下公式计算，式中P为外加载荷，d为对角线平均长度，α为金刚石角锥体棱面夹角(136°)。为避免试件不均匀性，对试件表面多次测量硬度，得到待测样品的平均硬度值，保证测量数据的有效性。
采用CSS- 44300微机控制电子万能材料试验机对材料进行准静态力学性能测试，压缩试件尺寸为φ6 mm×9 mm，试验的压缩应变率为1×10-3，得出试验机的压缩速度约为0.54 mm/min。
4 结果与分析
钢壳内回收到的活性材料(剖面图)如图4所示，钢壳内壁与剩余材料呈现2种状态，上表面的AlNi活性材料呈融化状，底部的活性材料十分密实，且21.3 GPa的加载下剩余的材料相对14.4 GPa较少，在更大的爆压加载下，材料更容易向四周飞溅。受加载前后AlNi活性材料的SEM微观形貌如图5所示，未受爆炸加载的活性材料内部的金属颗粒大小比较均匀，且仍然保持良好的球状，颗粒之间相互接触堆积在一起，结合性较弱，颗粒与颗粒之间存在孔隙。爆炸加载之后，底部致密的活性材料内部如图(b)、(c)所示，Al与Ni金属均匀分布，金属颗粒被挤压，且材料非常密实，内部基本没有孔隙；表面融化状的材料微观形貌如图(d)所示，金属呈流动状，已经无法见到颗粒状的金属，融化的铝镍互相凝结在一起。故炸药爆炸产生的高温高压会使表面的活性材料发生融化，底部的活性材料没有受到高温的直接作用，爆轰波传过后，活性材料内部的孔隙被挤压，活性材料逐渐密实。
图4 爆炸加载后钢壳内的活性材料剖面图
Fig.4 Cross-sectional view of the reactive material in the steel shell after explosive loading
图5 AlNi活性材料SEM显微组织形貌
Fig.5 SEM microstructure of AlNi reactive material
进行维氏硬度试验前需要将材料表面打磨光整，保证材料两端面的平行度。维氏硬度测试结果与典型压痕如图6所示，同一材料不同位置的维氏硬度值基本一致，这说明材料内部的均匀性良好，出现的偏差较大的数字，是由于材料不够密实，内部出现了孔隙。表2所列的数据是测量统计试件的20个位置后得到的平均维氏硬度。可发现AlNi活性材料的维氏硬度值并不高，而使用TNT炸药和8701炸药爆炸加载的AlNi活性材料的维氏硬度值均大于未受到爆炸加载的材料，并且爆压越大维氏硬度值越大，加载爆压为21.3 GPa时维氏硬度值提升35%。
图6 维氏硬度测试典型压痕
Fig.6 Typical indentation of Vickers hardness test
表2 维氏硬度测试值
Table 2 Vickers hardness test value
代号HV平均值01081112.62145.9
活性材料准静态压缩后的变形结果如图7所示，从图7(a)可以看出，未受爆炸加载的AlNi活性材料内部颗粒间的结合力并不强，压缩后四周出现垂直的裂纹，试件边缘呈瓣状龟裂。图7(b)、图7(c)中试件呈现剪切破坏的形式，除了横向的鼓起，出现与轴线呈45°的裂纹。
图7 准静态压缩后的变形
Fig.7 Deformation results after quasi-static compression
对准静压缩的数据进行处理，材料准静压条件下的真实应力-真实应变曲线如图8，在应变率为1×10-3的条件下进行多次试验，以保证试验的重复性、数据的有效性。从图中可以看出，AlNi活性材料在准静态压力下呈现明显的弹性段与失效段，受爆炸加载的AlNi活性材料的失效强度有明显的提升，在14.3 GPa下提升34.0%，在21.3 GPa下提升52.2%。受爆炸加载的活性材料的失效应变值约为0.08；未受爆炸加载的活性材料在应变小于0.05时，应力值上升的较为缓慢，考虑到未受到爆炸加载的AlNi活性材料密实度有限，这个缓慢的上升段材料内部的孔隙被进一步的挤压，直至出现弹性段与失效段。
图8 准静态压缩真实应力-应变曲线
Fig.8 The true stress-strain curve of quasi-static compression
按照图9中曲线所示的方式确定材料准静态压缩的力学参数，使用屈服强度与失效强度进行表征，统计得到的力学参数见表3，其中准密实态理论密度为5.81 g·cm-3。可知爆炸加载AlNi活性材料使得材料的致密程度进一步提升，减少了材料内部的缺陷与孔隙，进而获得了更好的准静态性能。
图9 准静态压缩力学参数曲线
Fig.9 Process curve of quasi-static compression parameter determination
表3 力学参数统计结果
Table 3 Statistical results of mechanical parameters
代号材料密度/(g·cm-3)密实度/%屈服应力/MPa失效应力/MPa05.23490.0103.5138.715.44093.6110.5185.925.63897.0130.2211.9
5 结论
1) 爆炸加载AlNi活性材料使得表面的材料呈融化状态，内部材料的孔隙被挤压，材料密实，从90%密实度提升到93.6%与97%。
2) 爆炸加载AlNi活性材料使维氏硬度值进一步提升。在准静态压缩试验中，未受爆炸加载的AlNi活性材料从试件边缘开始出现垂直裂纹，受爆炸加载后的AlNi活性材料呈剪切破坏形式，出现与轴线呈45°的裂纹，屈服强度与失效强度变大，失效应力在原来138.7 MPa的基础上提升34%与52.2%。
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