1 引言
金属—氧化剂体系由于具有较高的燃烧焓而被广泛应用于混合炸药、活性破片等含能材料中，铝—聚四氟乙烯(Al/PTFE)是其中的典型代表，通常由微纳米级的铝粉和聚四氟乙烯粉末通过研磨、混合、压装、烧结等工艺制成[1]。聚四氟乙烯具有密度高、热力学特性优良、稳定安全等优点，与铝粉组合后，其中具有高氧化性的氟能够有效改善铝的反应活性，从而可提高材料的能量密度及反应速率[2]。在高温高压作用下聚四氟乙烯会分解为单体CF4和CF2等，扩散到铝粉颗粒表面，自身或与空气等在接触面上发生剧烈反应[3]，特定条件下甚至发生爆炸反应，从而释放大量能量，因而Al/PTFE活性材料在外界激发作用下的反应特性研究广受关注。
葛超等[4]基于气炮试验研究了Al/PTFE活性材料的冲击反应阈值，获得了相应的临界冲击加载应力和应变率。张军等[5]通过准静态压缩、落锤撞击、高速撞靶试验，研究了ZrH2填充改性的Al/PTFE活性材料的力学特性和毁伤效应。Reinhart等[6]使用推进剂和轻气枪开展了Al/PTFE混合物撞击靶板试验，研究了该材料在高温高压条件下的反应特性，并开发了其反应动力学模型。Saikov等[7-8]进行了W/PTFE/Al系统的冲击加载和燃烧试验，对过程中的燃烧速率、温度及产物组分等进行测量，并分析了材料的冲击引发机理及反应过程。这些研究主要集中于Al/PTFE活性材料在机械撞击下的力学响应或高温燃烧条件下的释能特性，而伴随着活性材料在炸药毁伤领域的应用，关于其在炸药爆炸作用下的反应特性及释能效应的研究也逐渐增多。王辉等[9]针对含Al/PTFE活性材料包覆层的装药开展了内爆炸试验，分析了活性材料包覆层与炸药质量比例等因素对装药内爆性能的影响规律。杜宁等[10]研究了Al/PTFE等典型活性材料制成的活性壳体在爆炸加载下的释能特性，并结合火球、温度及压力等数据分析了活性材料的反应过程及对炸药爆炸释能的增益规律。
上述研究成果表明，Al/PTFE活性材料在炸药爆轰加载下，反应速率可能显著提高，且其本身具有高能的优势，则有望产生较强的毁伤效果。因此，研究活性材料在高能炸药爆轰产生的高温高压条件下的激发及反应特性对于提高弹药的毁伤效能具有较为重要意义。
本研究采用GSJ转镜式高速扫描相机对Al/PTFE活性材料在炸药爆轰作用下的反应激发过程进行观测，并结合相关理论，对活性材料在炸药的端面爆轰加载和对碰爆轰加载2种作用方式下的响应特性进行分析，以期为Al/PTFE活性材料在爆炸毁伤领域的应用提供参考。
2 试验
2.1 端面爆轰加载试验
1) 样品
试验选用的主装药为JO-8，密度为1.81 g/cm3，尺寸为Φ40 mm×40 mm；扩爆药柱选用JH-14C，密度为1.65 g/cm3，尺寸为Φ25 mm×25 mm，中心带有雷管孔。活性材料选用13 μm级的球形铝粉和100 nm级的聚四氟乙烯粉末，添加适量粘结剂后均匀混合，采用粉末压制成型工艺制备。根据活性材料组分间的主要反应：4Al+3C2F4→4AlF3+6C，将其组分的质量比例设计为Al/PTFE～26.5/73.5，密度为2.1 g/cm3，样品尺寸为Φ30 mm×60 mm(由2节Φ30 mm×30 mm药柱粘接而成)。
2) 装置及布局
为判断爆轰作用下Al/PTFE活性材料的激发及响应过程，试验采用GSJ转镜式高速扫描相机记录JO-8炸药及活性材料的反应传播的轨迹。试验布局如图1所示，扫描相机的狭缝观测位置与样品的母线重合，高速相机的扫描速度设定为6 mm/μs。
图1 端面爆轰加载试验装置及布局
Fig.1 Device and layout of the end surface detonation loading test
3) 结果及判读
试验得到扫描底片如图2所示，其中横向坐标与相机扫描速度的比值可反映时间，纵向坐标可反映JO-8和活性材料的轴向长度；黑色区域代表曝光部分，试验过程中，高温高压的爆轰产物与空气碰撞、活性材料的剧烈反应以及冲击波阵面压缩空气都可能发光，从而在底片上产生曝光痕迹。对底片中的黑白界面进行数字化判读，得到发光阵面的位移-时间曲线如图3(a)所示，通过微分等处理得到速度-位移曲线，如图3(b)所示。
图2 端面爆轰加载试验的波形扫描底片
Fig.2 Waveform scan negative of the end surface detonation loading test
由图3(a)可以得出，初始稳定平滑的发光阵面曲线①代表JO-8的爆轰发展过程，约4 μs时，爆轰波阵面传播至JO-8末端，此时波形出现两条显著的分叉曲线②和③。由于冲击波在活性材料内传播时难以压缩密实介质发光，且透射出材料外的波阵面压力显著衰减，压缩空气产生的光强较弱，曝光不强，所以判断曲线②为活性材料反应产生的发光面的传播轨迹，也是活性材料内部冲击波阵面的移动轨迹；而曲线③是爆轰产物离开炸药端面后继续行进的轨迹。图3(b)显示了这3种轨迹的移动速度，其中，JO-8的爆速约为8.7 mm/μs，与已知参数相符，表明试验结果准确；活性材料发光面的移动速度从约4 mm/μs迅速降至约2 mm/μs，已接近其声速，推测活性材料在入射冲击波的初始高压激发下发生较强的剧烈反应，且反应速率迅速衰减，这与Dolgoborodov等[11-13]的研究结果相似。但活性材料的后续反应过程被爆轰产物掩盖，在底片上难以判别。
图3 端面爆轰加载试验的底片判读结果
Fig.3 Negative interpretation results of the end surface detonation loading test
为了进一步判断活性材料的反应情况，降低爆轰产物的干扰，对试验装置进行了简单的修改，在JO-8与活性材料之间增加Φ80 mm×2 mm的圆形有机玻璃(PMMA)，其截面积大于炸药和活性材料端面面积，且各部分材料之间压紧以避免空气间隙影响。试验得到的底片如图4所示。
图4 增加有机玻璃后的波形扫描底片
Fig.4 Waveform scan negative with PMMA added
从图4中可以看出，曲线a代表JO-8的爆轰波阵面，且爆轰波到达炸药与有机玻璃分界面后发光阵面出现分叉，即曲线b和c。其中，曲线b前端带有明显的平台，推测该曲线代表爆轰产物的发光阵面，平台的产生是由于爆轰产物的传播受到有机玻璃的阻拦，与有机玻璃表面发生碰撞产生曝光，同时传播速率降低；曲线c代表活性材料反应产生的发光阵面，由于有机玻璃的存在，其前端与曲线a尾部之间存在间隔(见图4中的放大部分)，在有机玻璃与活性材料界面处开始出现较强曝光，但持续时间较短，表明活性材料在炸药的爆轰作用下产生了剧烈反应而放出强光，但反应迅速衰减而无法自持。
该试验阻止了爆轰产物与活性材料大面积接触，铝粉、聚四氟乙烯难以与JO-8的爆轰产物发生反应，在现象上与未加有机玻璃的试验有较大差别。然而，在爆轰加载作用下，爆轰产物对于活性材料响应特性的影响机理还有待深入研究。
2.2 对碰爆轰加载试验
1) 样品
试验装药结构如图5所示，Al/PTFE活性材料处于柱体中心，尺寸为Φ30 mm×90 mm(由3节Φ30 mm×30 mm药柱粘接而成)，外层装药采用DNTF基熔铸炸药(代号DHL，组分包括DNTF、HMX、Al等，爆速约为8.65 mm/μs，爆压约为34 GPa)制备，其外径为Φ50 mm，与活性材料药柱形成同轴组合装药，再与Φ50 mm×60 mm的JO-8药柱粘接。同样选用JH-14C作为扩爆药柱，尺寸为Φ25 mm×25 mm。
图5 装药结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of the charge structure
2) 装置及布局
对于图5所示的装药结构，当炸药爆轰后，活性材料处于内聚压力作用状态，由于表层DHL爆轰干扰，沿装药母线扫描时难以观测到内层活性材料的反应状态，因此将高速扫描相机的狭缝线对准组合装药的尾部端面，获取其直径方向的爆轰波形，试验布局如图6所示。同时，将高速相机的扫描速度设定为6 mm/μs。
图6 对碰爆轰加载试验装置及布局
Fig.6 Device and layout of the head-on collision detonation loading test
3) 结果及判读
试验得到扫描底片如图7所示，其中，纵向坐标可反映出组合装药的尾部端面直径上各点的状态。对底片中的迹线进行数字化判读，得到发光阵面的位移-时间曲线如图8所示。
图7 对碰爆轰加载试验的波形扫描底片
Fig.7 Waveform scan negative of the head-on collision detonation loading test
图8 对碰爆轰加载试验的底片判读结果
Fig.8 Negative interpretation results of the head-on collision detonation loading test
综合图7和图8可以看出，曲线Ⅰ代表DHL的爆轰波传播到组合装药尾部端面时压缩空气产生的发光阵面；曲线Ⅱ曝光很浅，推测是由DHL爆轰产生的冲击波压缩空气形成；曲线Ⅲ位于活性材料的中心位置，对应区域的直径约为10 mm，该部分在底片的曝光度显著增强，推测是活性材料内的冲击波向装药轴线方向传播，并在轴线附件区域发生碰撞而产生更强的高压，从而激发活性材料发生剧烈反应，并在底片上形成强曝光。曲线Ⅲ与曲线Ⅰ时间间隔约为13 μs，结合DHL的爆速及装药长度可计算出冲击波在装药轴线附近区域(即曲线Ⅲ对应区域)的传播速度约为4 mm/μs，远大于其声速，且该区域发出的光线较强，则可判断活性材料在该区域发生了“类爆轰”反应[11]。
3 分析及讨论
不同爆轰加载条件下，活性材料受到的激发压力均不同，响应特性也有所差异。下面结合爆轰加载相关理论计算试验过程中活性材料所受冲击波的相关参数，为试验结果判读提供依据。
端面爆轰加载条件下，炸药爆轰产生的冲击波近似正向入射到炸药—活性材料界面，由于活性材料冲击阻抗较低，活性材料受到强入射冲击波的压缩作用，其波阵面压力p与波后粒子速度u满足[14]：
(1)
式中：JO-8爆速DCJ为8.7 mm/μs；γ为JO-8爆轰产物气体多方指数，取2.97[15]；uCJ=DCJ/(γ+1)，表示CJ面上的粒子速度，mm/μs；pCJ = 
(γ + 1)，表示JO-8的爆压，GPa；JO-8初始密度ρ0为1.81 g/cm3；ρCJ=(γ+1)·ρ0/γ，表示CJ面上的密度，g/cm3。
对碰爆轰加载条件下，活性材料先后受到端面JO-8正向爆轰与外围的DHL侧向爆轰加载作用，DHL炸药以滑移爆轰方式进行侧向加载时，其爆轰产物p(u)曲线满足[2]：
(2)
式中：DHL的爆速DCJ为8.65 mm/μs；爆压pCJ为34 GPa；γ表示DHL爆轰产物气体多方指数，根据式
计算，取3.07。
冲击波波速和粒子速度之间关系为：
v=c0+λu
(3)
Al/PTFE活性材料的冲击绝热线可以表达为：
p=ρeu(c0+λu)
(4)
式中：活性材料密度ρe为2.1 g/cm3；c0为活性材料声速，取1.45 mm/μs；λ为材料本构方程参数，取2.26[16]。
由式(1)、式(3)、式(4)可计算出端面爆轰加载时活性材料所受初始压力p及波阵面后的粒子速度u，即图9中的炸药爆轰产物的p(u)曲线与Al/PTFE活性材料冲击绝热线的交点坐标；由式(2)—式(4)可计算出滑移爆轰加载时的相关参量。
炸药爆轰产物的p(u)曲线与Al/PTFE活性材料冲击绝热线的交点坐标即为爆轰加载下入射到活性材料中的冲击波初始压力和波阵面后的粒子速度，绘出曲线如图9所示。
图9 应力波传递分析图
Fig.9 Analysis diagram of stress wave transmission
图9中的点K和N的具体数据如表1所示，其中，v0表示冲击波的初始速度。
表1 入射冲击波参数
Table 1 Parameters of the incident shock wave
加载方式p/GPau/(mm·μs-1)v/(mm·μs-1)正面爆轰33.592.256.53滑移爆轰15.761.454.73
由于计算过程均未考虑边界稀疏波影响，相比于实际结果偏大[17]。计算结果表明，JO-8正向爆轰加载条件下活性材料受到的初始激发压力达到DHL滑移爆轰加载条件下约两倍多。
冲击波入射到密实活性材料介质中，其压力变化近似满足[18]：
p*=p·exp(-η·x)
(5)
式中：p*为活性材料内的冲击波压力，GPa；x为冲击波在活性材料内的传播距离，mm；η为与材料性质相关的衰减系数。
从式(5)可以看出活性材料内冲击波压力随着传播距离的增加会呈指数衰减，这意味着各部分活性材料受到的激发压力差异很大，文献[19]中结合泰勒杆试验给出了活性材料的激活点火时间与激发压力的关系：
(p*-pc)0.5·t=15
(6)
式中：pc为材料受激响应点火压力阈值；t为响应点火时间。
显然，随着冲击波传播距离的增加，激发压力降低，因而活性材料的点火时间增长，反应速率降低，各个部分的响应特性也有所不同。根据压力计算结果分析得到炸药端面爆轰加载和对碰爆轰加载2种方式下活性材料各部分所受激发压力的大致分布，如图10所示。
图10 不同加载方式下活性材料各部分受冲击示意图
Fig.10 Schematic diagram of the impact on regions of reactive materials under different loading modes
结合试验结果与理论分析可以得出：端面爆轰加载条件下，入射到活性材料内的冲击波呈指数衰减，活性材料反应速率也迅速降低，这与端面爆轰试验获得底片中的现象及判读结果一致；对碰爆轰加载条件下，活性材料内的冲击波在特定区域发生汇聚后产生较高的激发压力，尤其在装药轴线附近产生更高程度的叠加，形成更高的压力，该区域内的活性材料反应剧烈，产生“类爆轰”反应，在对碰爆轰试验获取的底片中显示出高曝光度。
4 结论
本研究结合端面、对碰2种炸药爆轰加载试验和入射冲击波的高压计算分析了Al/PTFE活性材料在炸药爆轰加载下的响应特性，得到了下列结论：
1) 端面爆轰作用下，活性材料在初始压力约为33.59 GPa的高压激发作用下发生剧烈反应，但由于冲击波的衰减导致反应速率迅速降低而无法自持。
2) 对碰爆轰作用下，活性材料先后受到JO-8的正向加载和DHL的持续滑移爆轰加载，其中滑移爆轰加载方式产生的入射冲击波初始压力为15.76 GPa。爆炸产生的冲击波入射活性材料，在中心部分汇聚形成高压区域，其中的活性材料发生“类爆轰”反应，平均反应速度达到4 mm/μs。
3) 设计含Al/PTFE活性材料的战斗部装药时，可采用同轴组合装药结构，使活性材料受到炸药爆轰产生的持续强冲击加载，不仅能够显著提升其反应速率，还可避免反应无法自持的问题，以达到更为显著的毁伤效果。
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