力链增强的几种方法

1.纳米力链增强方法

纳米力链增强主要通过在微米级活性毁伤材料颗粒体系中添加SiC、SiO2、WC、MoS2、石墨等高强度纳米粉体，一方面，纳米粉体强度较高，可显著提升材料体系各组分的平均强度；另一方面，可进一步增加微米级粉体体系颗粒级配程度，通过增强力链效应，显著提升活性毁伤材料强度和韧性。

外载荷压缩作用下，活性毁伤材料细观结构力链分布如图3.37所示。外载荷初始作用阶段，氟聚物基体首先发生弹性变形，随着材料整体应变增加，细观结构金属颗粒聚集。变形达到一定程度，氟聚物基体进入塑性变形阶段，金属颗粒间开始接触。继续加载条件下，金属颗粒间接触加剧，形成两条强力链，承载材料的主要外部载荷。但由于力链较少，进一步加载将引发沿两条力链的颗粒产生滑移，导致力链断裂，材料发生失效破坏。

向典型微米级活性毁伤材料体系中添加纳米粉体后，在外载荷作用下，尺度较大的微米级金属颗粒间首先接触并形成强力链。随着外载荷继续作用，纳米粉体颗粒及纳米、微米颗粒之间产生接触，在材料体系细观结构中进一步形成若干弱力链。弱力链的产生将减弱大金属颗粒之间的接触力，降低强力链应力幅值。强弱力链形成网络，使活性毁伤材料强度、韧性得到显著提升。

图3.37　活性毁伤材料细观结构力链分布

相较于微米尺度粉体，纳米粉体表面积大，表面能低，流散性差，易团聚。添加纳米粉体活性毁伤材料制备的关键在于各组分粉体的混合均匀性。混合不匀，团聚纳米粉体一方面无法与氟聚物基体形成良好结合，导致材料细观结构松散，致密度差；另一方面，在外载荷作用下，无法与微米金属颗粒共同形成力链网络，导致材料强度和韧性提升不足。

典型添加纳米粉体活性毁伤材料体系制备方法为，首先，将已烘干脱水的氟聚物基体、活性金属、惰性金属、纳米粉体及其他组分按配比预混合后，在无水乙醇等介质中，借助湿混设备混合2～4 h；然后，将混合均匀的粉体通过超声振动设备解聚，随后通过真空干燥设备烘干6～8 h；最后，在200 MPa压力下，通过双向模压方式压制成型，并通过烧结炉进行烧结硬化。

以添加SiC、WC、石墨纳米粉体的PTFE/Al体系材料为例，不同配方材料具体组分配比如表3.7所示，动态压缩应力-应变曲线如图3.38所示。

表3.7　不同材料组分配比

图3.38　添加纳米粉体的PTFE/AI材料的应力-应变曲线

对于试样A，纳米粉体含量为1.8％，应力-应变曲线呈现典型弹塑性特征。试样A在动态压缩载荷作用下，首先发生弹性变形，到达材料屈服点后，进入塑性段，随后塑性应力随应变线性上升，呈现一定的应变硬化效应。纳米粉体含量增加至3.2％时，试样B抗压强度、屈服强度及应变硬化效应均显著提升。试样C纳米粉体含量为7.0％，与试样A、B相比，弹性模量、屈服强度进一步提升，但塑性段应力-应变曲线斜率较小，应变硬化效应减弱，且在应变为0.53左右，试样失效破坏，应力-应变曲线开始下降。试样D纳米粉体含量最高，弹性模量、屈服强度、抗压强度均最高，但在应变为0.2左右，曲线到达最高点后迅速下降，表明此时试样塑性较差，呈现显著脆性特征。

添加SiC、SiO2、WC纳米粉体的不同配方PTFE/Al/W材料具体组分配比如表3.8所示，动态压缩应力-应变曲线如图3.39所示。

表3.8　不同材料组分配比

试样A纳米粉体含量为1.3％，动态压缩下，试样经弹性变形和屈服后，快速进入塑性段。塑性段曲线斜率较小，表明试样应变强化效应不显著。试样B和C纳米粉体含量分别增加至6.4％和8.9％，其屈服强度和抗压强度显著提升，同时塑性段曲线斜率增加，应变强化效应有所提升。试样D纳米粉体含量进一步增加至11.2％，其应力-应变曲线快速上升，当应变为0.33左右时，达到试样抗压强度，随后曲线快速下降，表明纳米粉体的添加可有效提升活性毁伤材料强度。(www.xing528.com)

图3.39　添加纳米粉体的PTFE/AI/W材料应力-应变曲线

2.纤维力链增强方法

纤维具有较大长径比，与块体状材料相比，一方面无法容纳大尺寸缺陷，可显著发挥强度优势；另一方面，纤维柔曲性良好，在外载荷作用下可发生弯曲、扭转、拉伸等变形而不失效，因此在材料增强增韧方面应用广泛。

纤维力链增强主要是通过在活性毁伤材料体系中添加碳纤维、氧化铝纤维、SiC纤维等高强度纤维材料，增强外载荷作用下材料的细观结构局部应力传递效应及力链效应，显著提升活性毁伤材料强度和韧性。

外载荷拉伸作用下，活性毁伤材料细观结构裂纹扩展过程如图3.40所示。外载荷初始作用阶段，氟聚物基体首先发生弹性变形，随材料整体应变增加，金属颗粒/基体间应力增加。拉伸变形进一步加剧，裂纹开始在基体/颗粒界面及细观结构缺陷处产生，并不断扩展，最终导致材料失效破坏。

图3.40　活性毁伤材料细观结构裂纹扩展过程

向典型活性毁伤材料体系中添加纤维后，在外载荷作用下，裂纹首先在基体/颗粒界面及细观结构缺陷处产生。随着外载荷继续作用，在裂纹演化及扩展过程中，基于纤维桥联机制、拔出机制及裂纹转向机制，在材料细观结构形成力链，阻滞裂纹进一步扩展，使活性毁伤材料强度、韧性得到显著提升。

除纤维种类外，影响活性毁伤材料纤维力链增强效应的主要因素还包括纤维含量、纤维长度、混合均匀性等。纤维含量过少，力链增强效应弱；含量过多，材料塑性降低。纤维长度过大，不利于通过机械搅拌方式与其他组分混合均匀；长度过小，桥联、拔出及裂纹转向等机制不显著。一般来讲，纤维长度应大于材料体系颗粒平均间距，具体纤维长度应根据材料组分配比、粒度特性等，通过实验确定。混合均匀性差，一方面纤维团聚导致材料细观结构松散，致密度差；另一方面，导致细观结构缺陷增加，材料强度和韧性不足。

典型添加纤维活性毁伤材料体系制备方法为，首先，将氟聚物基体、活性金属、惰性金属粉体及其他组分烘干，并通过丙酮等溶剂，对纤维进行表面进行超声清洗；然后，在无水乙醇等介质中，借助湿混设备对各组分材料混合4～6 h，再通过循环真空泵抽滤获得各组分混合粉体；在此基础上，通过真空干燥设备对混合粉体烘干6～8 h，获得干燥混合粉体；最后，在200 MPa压力下，通过双向模压方式压制成型，并通过烧结炉进行烧结硬化。

以添加不同含量碳纤维PTFE/Al活性毁伤材料体系为例，材料具体组分配比如表3.9所示，动态压缩应力-应变曲线如图3.41所示。试样A纤维含量为4.9％，应力-应变曲线呈典型弹塑性特征，且呈现一定应变硬化效应。试样B纤维含量为7.2％，材料弹性模量、屈服强度及抗压强度均有所降低，主要是由于相较于试样A，试样B氟聚物基体含量减少，活性金属颗粒含量增加造成。试样C强度最高，但塑性最差，主要原因是基体与活性金属质量比接近1∶1，同时纤维含量增加至11.5％。试样D弹性模量及屈服强度均最小，经塑性变形后，在应变0.43左右发生破坏失效。以上分析表明，通过纳米或纤维力链增强方法，可使典型活性毁伤材料的动态抗压强度提升1～2倍。

表3.9　不同材料组分配比

图3.41　添加纤维的PTFE/AI材料应力-应变曲线