应力-弛豫时间点火模型详解

基于活性毁伤材料冲击引发弛豫行为，引入冲击点火弛豫时间，开展冲击点火实验，可建立活性毁伤材料应力-弛豫时间点火模型。实验中选择三种PTFE/Al活性毁伤材料，具体组分配比及组分粒度特性如表5.6所示，不同Al粒径PTFE/Al活性毁伤材料的细观结构如图5.49所示。

表5.6　PTFE/AI活性毁伤材料配比及粒度特性

图5.49　PTFE/AI活性毁伤材料的细观结构

基于弹道枪测试系统，不同Al粒径PTFE/Al活性毁伤材料冲击点火行为的实验原理如图5.3所示。试样直径为8 mm，长度为40 mm，气枪口径为14.5 mm，靶板材料为45钢，长度、宽度和厚度分别为140 mm、140 mm和15 mm。实验中，试样点火现象通过高速摄影记录，弛豫时间为试样与靶板碰撞到可观察到试样点火火光的时间间隔。

相同碰撞速度下，不同金属粒径PTFE/Al活性毁伤材料试样在相同时刻的点火现象如图5.50所示。从图中可以看出，与金属粒径较大的A3试样相比，A1和A2试样点火产生的火焰更加明亮，反应范围更大，表明Al粒径越小，碰撞激活后PTFE/Al活性毁伤材料反应越剧烈。

图5.50　不同AI粒径PTFE/AI活性毁伤材料试样冲击点火现象

不同Al粒径PTFE/Al活性毁伤材料试样碰撞点火时的应力及弛豫时间如图5.51所示。Al粒径对PTFE/Al活性毁伤材料点火应力和弛豫时间有显著影响。随Al粒径增大，PTFE/Al活性毁伤材料试样点火临界压力增加，表现为Al颗粒尺寸越大，PTFE/Al活性毁伤材料越钝感。同时，相同碰撞压力下，PTFE/Al材料激活弛豫时间随Al粒径增大而增加。这主要是因为，每个直径为120 μm的Al粒子相当于125个直径为25 μm的Al粒子，且25 μm Al粒子的比表面积为120 μm Al粒子的4.8倍。Al粒子直径减小，比表面积增大，燃烧所需的临界能量减小，导致Al粒径较小的PTFE/Al活性毁伤材料临界点火压力减小，同时激活弛豫时间减小。需要注意的是，当碰撞应力大于5 GPa时，三种材料弛豫时间不断接近，表明碰撞应力较大时，冲击作用输入材料体系的能量远大于材料点火能量，因此Al粒径对弛豫时间的影响不断减小。

图5.51　AI粒径对PTFE/AI活性毁伤材料弛豫时间影响

通过分析不同粒径PTFE/Al材料在不同加载条件下的点火行为，可知应力-弛豫时间点火模型的一般形式如下：

式中，T为激活弛豫时间，单位为μs；σ和σTS分别为碰撞应力和点火应力阈值，单位为GPa；c和k为与材料有关的常数。

通过应力-弛豫时间点火模型的一般形式，不同粒径PTFE/Al活性毁伤材料应力-弛豫时间点火模型的拟合曲线如图5.52所示。

对于A1活性毁伤材料，有

对于A2活性毁伤材料，有(www.xing528.com)

图5.52　PTFE/AI活性毁伤材料应力-弛豫时间点火模型拟合

对A3活性毁伤材料，有

为对比组分配比对活性毁伤材料冲击点火行为及阈值条件影响，选择三种不同配方PTFE/Al/W活性毁伤材料，具体材料配比如表5.7所示，其中B1材料与表5.6中A3材料相同，Al粒径均为120 μm。

表5.7　不同配方PTFE/AI/W活性毁伤材料的配比

相同碰撞压力下，同一时刻B2和B3两种配方PTFE/Al/W活性毁伤材料试样的冲击引发点火行为如图5.53所示。从图中可以看出，由于组分配比差异，与B1材料相比，B2活性毁伤材料碰撞点火更加剧烈，产生的火焰更为明亮，而B3活性毁伤材料点火不显著，仅能观察到零散微弱火光。

不同配方PTFE/Al/W材料试样碰撞点火时的应力及弛豫时间如图5.54所示。可以看出，材料组分配比对碰撞敏感性和激活弛豫时间影响显著。当碰撞应力大于2 GPa时，在相同点火压力下，B3材料点火弛豫时间最长，B2材料弛豫时间最短，B1材料弛豫时间居中。弛豫时间相同时，对比激活应力，B2材料点火压力最小，B3材料点火压力最大，B1材料点火压力居中。以上分析表明，在B1材料中增加适量惰性金属W，可降低材料点火压力及弛豫时间，而W含量过高时，活性毁伤材料点火压力及弛豫时间则会增加。

图5.53　不同配方PTFE/AI/W活性毁伤材料的冲击点火行为

图5.54　PTFE/AI/W活性毁伤材料应力-弛豫时间点火模型拟合

从机理角度分析，B1材料基于PTFE和Al的零氧平衡配比，冲击反应释放化学能最多。在B1材料配比基础上，添加适量惰性金属W得到B2材料，由于W颗粒强度和硬度均较高，冲击加载下，各组分间易出现滑移、摩擦等现象，材料局部温升更加显著，氟聚物基体更易于发生分解并与活性金属反应，应力阈值和弛豫时间均有所降低。B3材料中W含量较高，与B2材料类似，冲击加载下，材料细观结构剪切、滑移、摩擦等效应更加显著。然而，过多的W导致直接参与反应的PTFE基体和Al颗粒显著减少，剪切、摩擦、滑移等效应产生的局部温升不易传导至氟聚物基体使之升温和热分解，因此，基体和活性金属之间反应难度增加，激活应力阈值和弛豫时间均有所增加。

通过双曲型方程对PTFE/Al/W活性毁伤材料冲击点火实验数据进行拟合，B3材料应力-弛豫时间点火模型为

B2材料应力-弛豫时间点火模型为