深入探究力链增强机理

1.二元体系力链仿真分析

二元体系活性毁伤材料即仅由氟聚物基体和活性金属构成的活性毁伤材料。在外载荷作用下，对其颗粒增强机理及力链效应的影响主要从二元体系组分配比和增强相颗粒级配两方面进行分析。

（1）组分配比影响。

为分析组分配比对PTFE/Al活性毁伤材料力链效应的影响规律，选用四种不同组分配比的活性毁伤材料，建立其细观有限元模型进行数值模拟研究。四种材料具体参数如表3.11所示，其中，DA为Al颗粒直径，NA为Al颗粒数量，为便于对比，四种配比材料均选择等直径Al颗粒。细观模型整体尺寸为200 μm×200 μm，加载速度恒定为1 000 μm/ms，对应加载应变率为5 000 s-1，所建立不同组分配比PTFE/Al的计算模型如图3.44所示。

表3.11　不同配比PTFE/AI材料细观模型参数

图3.44　不同配比PTFE/AI材料的计算模型

不同组分配比PTFE/Al材料在压缩变形过程中的力链形成及分布如图3.45所示，从图中可以看出，组分配比对压缩过程中的力链效应及材料力学响应行为影响显著。1＃材料中Al颗粒数为25，在外载荷作用下，材料变形形成了2条较为明显的力链，直至整体加载应变为0.500时，试样内部未出现明显破坏及裂纹。当Al颗粒数量增加至42时，试样变形过程中形成了约5条显著力链，其中2条较强，其余力链较弱，当整体应变为0.500时，试样内部出现了微小裂纹，材料开始发生破坏。随着Al颗粒数量进一步增加至52和61，加载下材料内部力链数量进一步增加。加载初始阶段，材料内迅速形成若干准直线形状力链，承载主要外部载荷，随着加载不断进行，强弱力链形成网络。对比不同配比材料内应力演化过程可以发现，随着Al含量增加，压缩应力在试样中的传播速度呈逐渐增加趋势，这可由整体应变为0.001时力链的形成和分布得到证实。

不同组分配比PTFE/Al材料在整体应变为0.275时的细观结构应变分布如图3.46所示，可以看出，4种材料均发生不同程度的变形。但随Al含量增加，基体变形增加，表现为材料塑性下降。尤其是对4＃材料，可观察到细观裂纹及破坏，表明金属颗粒对PTFE/Al材料力学性能的增强存在一最优含量。

试样顶端平均应力和各组分内能随试样整体应变的变化关系如图3.47所示。可以看出，4＃试样顶端平均应力率先出现下降，与图3.45中计算结果相对应。另外，从图3.47（b）和（c）可以看出，在变形后的试样中，PTFE基体中内能百分比明显高于Al颗粒；同时随Al颗粒数量增加，整体应变相同时Al颗粒内能含量明显增加，表明金属颗粒增加对材料力学性能有增强作用。PTFE内能百分比显著高于其组分体积分数，表明变形过程中其吸收能量更多，在提升体系弹塑性的同时，更有利于活性毁伤材料体系发生化学反应。

（2）颗粒级配影响。

在给定Al颗粒体积分数的条件下，选用4种不同直径的Al颗粒随机生成组分比基本相同的PTFE/Al活性毁伤材料细观模型，以对比分析颗粒级配特性对材料动力学响应行为及力链效应的影响。不同颗粒级配PTFE/Al材料细观模型参数如表3.12所示。细观模型整体尺寸为200 μm×200 μm，加载应变率为5 000 s-1，不同颗粒级配PTFE/Al材料细观计算模型如图3.48所示。

图3.45　不同配比PTFE/AI材料的力链形成及分布

图3.45　不同配比PTFE/AI材料的力链形成及分布（续）

图3.46　不同配比PTFE/AI材料在整体应变为0.275时的细观结构应变分布

图3.47　试样平均应力-应变关系和各组分内能

表3.12　不同颗粒级配PTFE/AI材料细观模型参数

图3.48　不同颗粒级配PTFE/AI材料计算模型

图3.48　不同颗粒级配PTFE/AI材料计算模型（续）

不同粒度级配PTFE/Al材料在压缩变形过程中的力链形成及分布如图3.49所示。可以看出，粒度级配特征对材料变形过程中的力链效应和材料动力学响应行为影响显著。当金属颗粒直径为10 μm时，材料内颗粒数量最多，加载过程中，材料内形成许多密集分布的力链，在整体应变为0.450时试样内部出现了失效破坏。随着Al颗粒尺寸增加，颗粒数量随之减少，试样压缩变形过程中形成的力链数也因此随之减少。从力链强度方面分析，Al颗粒间相互作用加强时，材料强度则显著增加。从材料失效破坏方面分析，当Al颗粒尺寸为33 μm和44 μm，材料均在整体应变为0.450时出现了明显破坏。然而，Al颗粒尺寸为21 μm，整体应变为0.500时试样内部仍未出现明显破坏。这表明，在材料组分配比一定条件下，合理设计粒度级配特征可有效提高材料的力学性能。

不同Al粒度级配试样变形过程的细观应变分布如图3.50所示。可以看出，当应变为0.35和0.45时，1＃试样颗粒直径最小、颗粒数量最多，细观结构应力分布较为均匀，试样整体变形较小，表现出更优的力学性能。相比之下，4＃试样PTFE基体局部变形程度最严重，颗粒与基体之间脱黏破坏明显。这表明合理设计材料粒度级配特性可有效提高活性毁伤材料力学性能。

活性毁伤材料试样在压缩变形过程中顶端平均应力-应变关系及各组分内能变化如图3.51所示。1＃试样顶端应力在整体应变约为0.45时出现了下降，而4＃试样顶端应力在整体应变约为0.2时即开始下降，这与图3.49所示试样响应行为相对应，体现了因材料粒度级配导致的显著弹塑性差异。另外，从图3.51（b）和（c）中可以看出，剧烈变形的活性材料试样中各组分能量百分比明显受Al颗粒尺寸影响。当颗粒尺寸为33 μm时，Al颗粒内能百分比始终处于一个较低水平，原因在于试样中颗粒之间和颗粒与基体间的相互作用程度较其余试样要低，不利于底板动能或基体内能转移至Al颗粒中。

图3.49　不同粒度级配PTFE/AI材料的力链形成及分布

图3.49　不同粒度级配PTFE/AI材料的力链形成及分布（续）

图3.50　不同粒度级配PTFE/AI材料的细观应变分布

图3.51　试样平均应力-应变关系和各组分内能

2.多元体系力链仿真分析(www.xing528.com)

多元体系活性毁伤材料即在PTFE/Al体系基础上添加其他组分，对密度、激活阈值、气体产物量、力学强度进行调控的活性毁伤材料。在外载荷作用下，对其颗粒增强机理及力链效应的影响，主要以PTFE/Al/W多元活性毁伤材料为例，从组分配比和增强相颗粒级配两方面进行分析。

（1）组分配比影响。

分析组分配比对PTFE/Al/W活性毁伤材料在外载荷作用下力链效应的影响规律，以4种不同组分配比PTFE/Al/W材料为例，建立其细观有限元模型，开展数值模拟研究。4种配比材料参数如表3.13所示，其中，DW为W颗粒直径，NW为W颗粒数量。细观模型整体尺寸为200 μm×200 μm，Al颗粒直径为5 μm，数量为60，材料配比通过调整W颗粒数量实现，加载应变率为5 000 s-1，所建立不同组分配比PTFE/Al/W的计算模型如图3.52所示。

表3.13　不同组分配比PTFE/AI/W活性毁伤材料细观模型参数

图3.52　不同组分配比PTFE/AI/W材料计算模型

不同组分配比PTFE/Al/W试样压缩变形过程中力链及应力分布如图3.53所示。从图中可以看出，组分配比对试样压缩变形过程中的力链效应和材料响应行为影响显著。对1＃材料，由于金属含量较小，不同粒径颗粒间的相互作用不明显，当整体应变为0.450时试样内部出现明显破坏。随W颗粒含量增加，试样发生破坏时，整体应变逐渐减小。特别地，当W颗粒数量为13时，试样在整体应变为0.075时开始出现裂纹，在整体应变为0.175时试样已发生了显著破坏。从力链效应角度看，当W颗粒数为10时，试样最多形成了约4条力链；而且，随试样内裂纹的形成及扩展，材料内力链效应会随之变化，具体包括初始力链形成、断裂以及材料破裂变形过程中力链的二次激活等。

图3.53　不同组分配比PTFE/AI/W试样力链及应力分布

图3.53　不同组分配比PTFE/AI/W试样力链及应力分布（续）

不同组分配比PTFE/Al/W试样在不同整体应变时的变形如图3.54所示。可以看出，在压缩变形过程中，塑性应变主要发生于PTFE基体内，金属颗粒未发生显著变形。加载过程中金属颗粒间滑移或挤压随W颗粒含量的增加而增强，在给定整体应变条件下，试样内PTFE基体局部大变形程度随W颗粒含量的增加呈逐渐增强趋势，这将导致材料脆性增强、塑性减弱。

图3.54　不同组分配比PTFE/AI/W试样在不同整体应变时的变形

组分配比对试样顶端平均应力-应变关系和各组分内能百分比的影响如图3.55所示。随W颗粒含量增加，试样平均应力出现下降时的整体应变减小。另外，从图3.55（b）～（d）中可以看出，PTFE/Al/W试样在应变率为5 000 s-1载荷作用下的变形过程中，PTFE基体所含内能百分比最大，其次为Al颗粒。这表明，在压缩变形过程中，PTFE基体容易吸收能量，更有利于其温度上升，从而促使其发生化学反应。从图中还可看出，当试样内部发生破裂后，PTFE基体内能百分比逐渐下降，而Al颗粒和W颗粒内能则逐渐提高。

图3.55　试样平均应力-应变关系和各组分内能

图3.55　试样平均应力-应变关系和各组分内能（续）

（2）颗粒级配影响。

在给定组分配比的条件下，为探究粒度级配特性对多元体系活性毁伤材料PTFE/Al/W动力学响应行为及力链效应的影响，选择4种不同直径W颗粒随机生成活性材料试样细观有限元模型。4种不同颗粒级配PTFE/Al/W材料细观模型的参数如表3.14所示。细观模型整体尺寸为200 μm×200 μm，加载应变率为5 000 s-1，不同颗粒级配PTFE/Al/W材料细观计算模型如图3.56所示。

表3.14　不同颗粒级配PTFE/AI/W材料细观模型的参数

不同颗粒级配PTFE/Al/W材料压缩变形过程应力及力链分布如图3.57所示。从图中可以看出，材料体系粒度级配特性对压缩变形过程中的力链效应及响应行为影响显著。当W颗粒尺寸为5 μm时，试样压缩变形过程中形成了多条力链，整体应变为0.268时试样内大范围破裂，但未形成大裂纹。随W颗粒尺寸增加至11 μm，压缩过程中形成了2条贯穿整个试样的力链，在整体应变为0.275时开始出现裂纹，应变为0.385时试样发生大范围破坏。当W颗粒尺寸为22 μm时，试样在整体应变为0.175时开始出现裂纹，整体应变为0.350时试样严重破坏。继续增加W颗粒尺寸至44 μm，试样在压缩变形过程中形成力链数减少，整体应变为0.225时试样已出现明显破坏。同时还可观察到，在W颗粒尺寸不大于22 μm时，破坏均首先发生于试样内部；当W颗粒尺寸为44 μm时，试样底部率先出现裂纹，导致材料撕裂状失效。

图3.56　不同颗粒级配PTFE/AI/W材料细观计算模型

动态压缩过程中，不同颗粒级配PTFE/Al/W材料典型细观应变分布如图3.58所示。从图中可以看出，给定组分配比条件下，随W颗粒尺寸增大，试样内PTFE基体遭受颗粒间挤压或滑移作用而产生的影响范围缩小，从而导致了PTFE基体局部大变形范围随之减小。随着W颗粒尺寸进一步增加至44 μm时，基体大变形范围进一步减小，仅在试样下半部分观测到局部大变形，但局部大变形区域的裂纹扩展更加迅速，破坏程度更加严重。

不同颗粒级配PTFE/Al/W材料平均应力和各组分内能百分比随应变的变化如图3.59所示。可以看出，当W颗粒尺寸为5 μm时，平均应力最大值较其余颗粒尺寸时小得多，但各平均应力出现明显下降时的整体应变基本相等。另外，从图3.59（b）～（d）中可以看出，Al颗粒内能百分比随W颗粒尺寸增大而逐渐增大，颗粒尺寸为44 μm试样中的PTFE基体内能含量明显低于其余试样。这表明，W颗粒尺寸增大有利于Al颗粒材料吸收外载荷能量。

图3.57　不同颗粒级配PTFE/AI/W材料压缩变形过程应力及力链分布

图3.57　不同颗粒级配PTFE/AI/W材料压缩变形过程应力及力链分布（续表）

图3.58　不同颗粒级配PTFE/AI/W材料典型细观应变分布

图3.59　试样平均应力-应变关系和各组分内能