多元活性毁伤材料体系分析

以二元活性毁伤材料体系为基础，在含能混合物内加入一些重金属或金属氧化物等粉体，能够改善活性毁伤材料的力化性能，满足工程化应用中对活性毁伤材料密度、强度、激活阈值、能量释放的要求。

1.氧化还原类填充材料

除单质活性金属，铝热剂等氧化还原类混合材料也可用作活性毁伤材料的填充材料组分。这类多元活性毁伤材料体系一般由氟聚物基体、活性金属（Al、Mg、Ti等）与无机氧化物（Fe2O3、MnO2、CuO、Bi2O3等）组成。

以质量比为44∶26∶30的PTFE/Al/Fe2O3活性毁伤材料为代表，分析这类活性毁伤材料配方体系的化学反应特性。PTFE/Al/Fe2O3活性毁伤材料反应后的主要气体产物为AlF、AlF2、AlF3、CO、FeF、FeF2等，固体产物主要是单质C和Fe3C等，体系反应温度和气体产物量分别为2 148 K、2.73 m3/kg。改变PTFE/Al/Fe2O3配方质量比，活性毁伤材料体系反应的生成物、反应温度和气体产物量等随之发生变化，相关参数如表2.4所示。

表2.4　PTFE/AI/Fe2 O3活性毁伤材料配方体系相关参数

续表

根据表2.4的计算结果，当配方体系中Fe2O3的含量相对较少时，气体产物主要有AlF、AlF2、AlF3、FeF、FeF2、CO等，固体产物中只有单质C生成；而随着Fe2O3的含量增加，Fe2O3与Al发生氧化还原反应生成Al2O3与Fe，进而Fe与生成的C会发生化合反应生成Fe3C；随着Fe2O3含量进一步增加到40％，固体产物中还剩有多余的Fe，且气体产物中有CO2生成。PTFE/Al/Fe2O3活性毁伤材料配方体系发生的主要化学反应为

可以看出，在材料基础配方体系中添加Fe2O3可能会加快反应速率。此外，PTFE/Al/Fe2O3活性毁伤材料配方体系在氧气充足的环境中反应时，若有单质Al剩余或产物中有单质C、Fe生成时，这些未反应的Al、产物C与Fe等物质还会继续与环境中的O2发生放热反应，进一步提高毁伤威力。

图2.21～图2.23所示为PTFE/Al/Fe2O3材料配方体系密度、反应温度、气体产物量等随配比变化的情况。可以看出，随Fe2O3含量增加，PTFE/Al/Fe2O3配方体系密度逐渐升高，反应温度先降低后趋于稳定，气体产物量逐渐降低。当在基础配方体系PTFE/Al中适当添加10％Fe2O3，PTFE/Al/Fe2O3配方体系的反应温度为3 382 K，气体产物量为3.87 m3/kg。

图2.21　组分配比对PTFE/AI/Fe2 O3活性配方体系密度的影响

图2.22　组分配比对PTFE/AI/Fe2 O3活性配方体系反应温度的影响

图2.23　组分配比对PTFE/AI/Fe2 O3活性配方体系气体产物量的影响

除PTFE/Al/Fe2O3外，为适应不同应用条件下对材料力学性能的要求，其他常用 三 元 材 料 体 系 还 包 括PTFE/Al/MnO2、PTFE/Al/CuO、PTFE/Al/Bi2O3等，图2.24所示为金属氧化物含量对典型三元配方体系密度的影响。

图2.24　金属氧化物含量对典型三元活性配方体系密度的影响

2.重金属类填充材料

PTFE/Al活性毁伤材料理论密度低，对应的破片、弹丸等毁伤元侵彻能力不足，通常需要在这类低密度二元活性体系中添加一定量的高密度粉体，构成密度适中的三元活性体系，如PTFE/Al/W、PTFE/Ti/W等。

以质量分数比为36.75∶13.25∶50的PTFE/Al/W活性毁伤材料为代表，分析这类活性毁伤材料的化学反应特性。PTFE/Al/W活性毁伤材料反应后的主要气体产物为AlF3、AlF2、AlF等，固体产物主要是单质C和WC等，体系反应温度和气体产物量分别为3 444 K和1.758 m3/kg。为研究W含量对PTFE/Al/W活性毁伤材料主要产物、反应温度和气体产物量的影响，在PTFE和Al为零、氧平衡条件下，改变W含量从40％到80％，相关参数如表2.5所示。

表2.5　PTFE/AI/W活性毁伤材料配方体系的相关参数

可以看出，对PTFE/Al/W材料配方体系，主要气体产物为AlF3、AlF2、AlF等；随着W含量从40％增加到80％，主要固体产物从C和WC变为剩余W和WC。PTFE/Al/W配方体系发生的主要化学反应为

PTFE/Al/W配方体系密度、反应温度、气体产物量等随配比变化的情况如图2.25～图2.27所示。从图中可以看出，PTFE/Al/W配方体系密度随W含量增加显著升高；反应温度随W含量增加略微下降，但整体反应温度均高于3 000 K；气体产物量随W含量增加大幅降低。由此可见，W粉含量对PTFE/Al/W的密度和气体产物量有显著的影响，虽然增加W粉可以提高材料密度，但会迅速降低气体产物量，因此在PTFE/Al配方体系中添加W粉要综合考虑材料密度和气体产物量。

图2.25　组分配比对PTFE/AI/W活性配方体系密度的影响(www.xing528.com)

图2.26　组分配比对PTFE/AI/W活性配方体系反应温度的影响

图2.27　组分配比对PTFE/AI/W活性配方体系气体产物量的影响

3.多元单质金属类填充材料

除了破片、弹丸等活性毁伤元，活性药型罩也是活性毁伤材料重要的应用形式之一。活性药型罩在炸药爆炸驱动下形成的高速活性侵彻体可利用动能侵彻和化学能释放耦合作用实现对目标的高效毁伤。从毁伤角度讲，要求活性药型罩材料密度高、延展性好、化学反应热多，由此常在配方体系中加入W粉，以提高配方体系密度。同时为兼顾延展性，还常在配方中添加Ni、Cu、Pb等金属粉体，且Ni还能与Al发生化学反应，进一步提升体系放热量，而Pb粉易在成型过程中气化，从而增加气体产物量。下面以PTFE/Al/W/Ni和PTFE/W/Cu/Pb两种典型多元活性毁伤材料为例，分析化学反应特性。

（1）PTFE/Al/W/Ni。

在PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料配方体系中，W粉和Ni粉主要作用是调控密度，Al粉和Ni粉延展性较好，且二者之间也会发生放热反应。以质量分数比为20∶25∶30∶25的PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料为代表，分析这类材料的化学反应特性。PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料反应后的主要气体产物为AlF、AlF3、AlF2等，固体产物主要是单质C、Ni2Al3、Ni3Al和WC等，体系反应温度和气体产物量分别为2 171 K和1.04 m3/kg。改变PTFE/Al/W/Ni配方质量分数比，PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料体系反应的主要生成物如表2.6所示。

根据表2.6的计算结果，对于PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料配方体系，当Ni的含量较少时，主要气体产物是AlF、AlF3、AlF2等；随着Ni含量增加至45％，气体产物主要为AlF3、NiF2等。当Ni的含量为5％时，生成的固体产物主要是Al、Al4C3、NiAl3、WC等；当Ni的含量增加至15％时，固体产物主要是C、Al4C3、Ni2Al3、WC等；当Ni的含量为25％时，固体产物主要是C、Ni2Al3、Ni3Al、WC等；随着Ni的含量增加到35％～45％，固体产物中除有单质Ni剩余外，主要固体产物就是C、WC等。从生成物可以看出，当PTFE/Al/W/Ni活性毁伤材料配方体系中当Al的含量较多而Ni的含量较少时，主要是Al和氟化物发生化学反应，剩余的Al会先与C发生化合反应，再与Ni发生金属间化合反应；当Ni的含量较多而Al的含量较少时，Ni也会和氟化物发生化学反应，释放热量。PTFE/Al/W/Ni配方体系发生的主要化学反应为

表2.6　PTFE/AI/W/Ni活性毁伤材料配方体系反应的主要生成物

图2.28～图2.30所示为PTFE/Al/W/Ni材料配方体系密度、反应温度、气体产物量等随配比变化的情况。可以看出，随Ni含量增加，PTFE/Al/W/Ni配方体系密度逐渐升高；反应温度先增加后减小，当Ni含量在25％～45％时，反应温度均在2 000 K以上；气体产物量也是先增多后减少。

（2）PTFE/W/Cu/Pb。

为进一步增加活性毁伤材料体系密度，在PTFE中添加W、Cu、Pb等重金属，改变PTFE/W/Cu/Pb配方质量分数比，对应的主要产物列于表2.7，体系密度、反应温度、气体产物量等随配比变化关系如图2.31～图2.33所示。

图2.28　组分配比对PTFE/AI/W/Ni活性配方体系密度影响

图2.29　组分配比对PTFE/AI/W/Ni活性配方体系反应温度影响

图2.30　组分配比对PTFE/AI/W/Ni活性配方体系气体产物量影响

表2.7　PTFE/W/Cu/Pb活性毁伤材料配方体系反应的主要产物

从表中可以看出，PTFE/W/Cu/Pb活性毁伤材料反应后的主要气体产物为PbF2、PbF、CuF、CuF2、Pb等，主要固体产物为C、PbF2、WC等。还可以看出，与PTFE/Al/W/Ni材料配方体系相比，PTFE/W/Cu/Pb材料配方体系的密度大幅增加，但是这类活性毁伤材料配方体系的反应温度和气体产物量均大幅下降，尤其当Pb的含量增加到40％时，气体产物量才为0.02 m3/kg。

根据表2.7的计算结果，PTFE基体开始发生分解反应，释放出具有强氧化能力的C2F4，随后活性材料配方体系中的金属粉粒Cu、Pb会与C2F4发生剧烈的氧化还原反应，产生反应热及气体产物。PTFE/W/Cu/Pb活性毁伤材料配方体系发生的主要化学反应为

图2.31　组分配比对PTFE/W/Cu/Pb活性配方体系密度的影响

图2.32　组分配比对PTFE/W/Cu/Pb活性配方体系反应温度的影响

图2.33　组分配比对PTFE/W/Cu/Pb活性配方体系气体产物量的影响