点火行为主要描述活性毁伤材料从冲击加载到试样出现初始反应的过程。对于该高瞬态过程,研究重点为活性毁伤材料的初始点火位置、点火时间、点火能量与载荷特性及材料理化特性的关联性。
以落锤测试系统为加载手段,对PTFE/Al(质量分数73.5%/26.5%)活性毁伤材料冲击引发点火行为进行研究,试样直径为6 mm,高度为3 mm,落锤质量为5.2 kg,落高分别选择70 cm、80 cm、85 cm和100 cm。
试样在不同落高下的冲击引发点火行为如图5.9所示。从图中可以看出,试样点火行为明显受落高影响。当落高为70 cm时,整个加载过程均未观察到点火现象,试样仅在动态加载下变形、破坏。当落高为80 cm时,在t=1.000 ms时,可观察到试样点火发出的火光;t=1.125 ms时,反应火光较前一时刻有所增长,但在t=1.125 ms时迅速减弱,最终变为离散的火星。
图5.9 不同落高下试样的冲击点火行为
当落高增加至85 cm时,试样初始点火出现于t=0.875 ms时刻,但此时材料反应已较为剧烈,表明初始点火发生于t=0.750~0.875 ms。与落高为80 cm时相比,初始点火时刻显著提前。t=1.125 ms时,反应最为剧烈,但在下一时刻火焰变为蘑菇形,反应逐渐变弱,最终变为离散火星。当落高增加至100 cm时,初始点火时间也在t=0.750~0.875 ms,但与落高为85 cm时相比,在t=1.125 ms和t=1.250 ms时,反应火光更为集中明亮,尤其是在t=2.000 ms时,反应依然剧烈,火光明亮,表明活性毁伤材料完全发生反应。
通过对PTFE/Al活性毁伤材料试样在不同落高下冲击点火行为的对比分析可知,随落高增加,试样冲击点火时刻提前,反应剧烈程度增加,反应持续时间增加,反应程度增加,反应更完全。这主要是因为随着落高增加,加载应力和应变率增加,试样变形、材料体系温升及输入材料体系的能量与速率均显著增加,从而使材料更易于发生点火及反应。
基于落锤测试系统,对不同组分配比活性毁伤材料的特性落高进行研究,4种PTFE/Al/W活性毁伤材料具体组分配比如表5.1所示。特性落高实验按照“阶梯法”进行,即每次测试之后按照试样是否点火确定下次测试的落高,若本次测试中试样发生点火,则下次测试中减少落高;否则下次测试中增加落高,每次落锤增加或减少的高度均为5 cm。
表5.1 不同PTFE/AI/W活性毁伤材料的组分配比(www.xing528.com)
对每种PTFE/Al/W活性毁伤材料的试样进行20次测试,实验结果如图5.10所示。通过式(5.1),所得P1、P2、P3和P4四种材料的特性落高分别为78.86 cm、85.63 cm、84.77 cm和93.05 cm。实验结果表明,随着W含量增加,材料特性落高整体呈增加趋势。P1材料特性落高最低,表明P1材料撞击感度最高;P4材料的特性落高最高,表明P4材料撞击感度最低,即材料最为钝感。这主要是因为,在PTFE基体和Al颗粒零氧配比的前提下,随着W含量增加,直接参与反应的氟聚物基体和活性金属的含量减少,在冲击加载下,反应组分之间相互作用减弱,导致材料感度降低。
测试后材料的残余试样如图5.11所示。可以看出,在落锤加载下,试样均发生显著形变,由圆柱状变为不同形状薄片,并有明显金属光泽。未发生点火的试样,形状接近规则圆形,边缘整齐,无明显反应痕迹。发生点火的试样,由于反应消耗,形状不规则,边缘产生缺口,局部可观察到反应产生的黑色残留。反应较为剧烈的试样,燃烧痕迹较明显,残余试样则相对较小。
图5.10 PTFE/AI/W活性毁伤材料落锤测试结果
图5.11 落锤测试后PTFE/AI/W活性毁伤材料的残余试样
砧板和锤头上的典型残余试样如图5.12所示,可以看出,弹塑性良好的试样除变成薄片状外,残余试样边缘的黑色喷射状残留表明试样点火发生于试样边缘位置。点火位置对称分布,经反应消耗的部分试样呈扇形。点火后反应从试样边缘向中心传播,导致残余试样最终呈现不规则的多瓣状。这主要是因为,在落锤冲击加载下,圆柱试样边缘位置为剪应力聚集区,材料的点火首先从剪切作用聚集的区域开始发生,并不断向试样内部传播,后续化学反应不断消耗活性毁伤材料,导致锤头和砧板上的参与试样呈现多瓣状扇形分布。
图5.12 落锤锤头和砧板上的残余试样
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