Al/PTFE活性材料的动态力学行为和撞击点火特性

为探究铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料在动态载荷下的力学行为及其点火机理,采用分离式霍普金森压杆对不同成型压力下所制备的Al/PTFE试件进行动态压缩试验。试验结果显示,当应变率为2960～5150 s~(-1)时,Al/PTFE试件在动态加载下呈现出典型的弹塑性力学行为,成型压力为50～150 MPa时,Al/PTFE试件的屈服强度和硬化模量并未表现出应变率效应。成型压力30～80 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值随成型压力的增加从28.77 m·s~(-1)缓慢升高到29.22 m·s~(-1),材料的点火延迟时间始终保持在600～700μs。当成型压力达100 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值大幅下降至26.60 m·s~(-1),且随着撞击速度的提高,活性材料的点火延迟时间由1000～1100μs降到600～700μs。结合扫描电镜结果可知,成型压力为100～150 MPa时,活性材料内部的局部大尺寸孔洞是材料速度点火阈值下降的重要因素。Al/PTFE活性材料的撞击引发点火特性主要与外部载荷和内部微观形貌有关。     

锆基非晶活性材料动态力学性能及本构关系

为了获得新型锆基非晶活性材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系,采用压力渗透铸造法制备得到锆基非晶活性材料样品,借助分离式霍普金森压杆实验测量系统对其进行了不同应变率加载条件下的动态压缩实验,获得了应变率在300～1600 s-1范围内材料的应力-应变曲线,利用高速摄影观察记录了不同应变率条件下试件的破碎以及释能过程.结果表明:锆基非晶活性材料性能表现为脆性材料特征,应力-应变曲线不存在屈服阶段,且当应变率由947 s-1上升至1587 s-1时,材料抗压强度由2.71 GPa上升至2.78 GPa,增幅较小,约为2.6％,而断裂应变由0.032下降至0.028,下降12.5％;材料的破碎程度以及释能反应现象随应变率增加较为明显,当加载应变率较大时,材料破碎过程中存在应变软化现象;根据实验数据,拟合得到了锆基非晶活性材料断裂失效前的一维弹脆性损伤动态本构方程.     

含钨活性材料动态压缩力学性能

为了研究活性材料的动态压缩力学性能,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对材料进行单轴压缩加载,获得了材料在不同应变率下的应力-应变曲线。将应力时程曲线和高速摄影拍摄结果对比,得到材料的屈服应力和临界反应应力。基于修正后的Johnson-Cook本构模型拟合材料参数,代入有限元计算软件LS-DYNA,计算结果和实验结果吻合较好,表明获得的模型参数可以较好地反映该材料的力学性能。     

Al粒径对富铝聚四氟乙烯基铝活性材料冲击反应性能的影响

为研究Al粒径对50％:50％质量比的富铝聚四氟乙烯基铝(PTFE/Al)活性材料在中高应变率下的冲击反应行为的影响,采用模压烧结成型法制备了50 nm、10μm、70μm、200μm 4种Al粒径的PTFE/Al活性材料试件.基于分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,利用高速摄像机拍摄不同应变率加载下PTFE/Al活性...     

非平衡态Al/PTFE反应材料制备及其热性能

用机械合金化方法制备了Al-Ni-Ti-Zr非平衡态合金粉末。将制备的Al基非平衡态合金粉末与聚四氟乙烯(PTFE)微米粉混合压制制备了非平衡态Al-Ni-Ti-Zr/PTFE反应材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了球磨过程中粉末的相组成和形貌特征。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析了球磨后合金粉末的相结构。利用差示扫描量热法(DSC)分析了非平衡态Al/PTFE反应材料的热行为。结果表明:通过机械合金化方法可以制备出Al基非平衡态合金粉末。存在弥散在Al基非晶基体中的纳米级微晶岛状区域。在升温速率10 K·min~(-1)、空气气氛下,非平衡态Al/PTFE反应材料的反应峰值温度为495℃,放热峰积面积为1775 J·g~(-1)。连续升温条件下,非平衡态Al/PTFE反应材料的放热反应具有典型的动力学特征,通过Kissinger法计算的反应活化能E_c为309.1 kJ·mol~(-1)。     

三种PBX炸药的动态拉伸力学性能

为了获得几种PBX炸药的动态拉伸力学性能,结合平台巴西盘实验和霍普金森加载技术建立了动态拉伸实验测试系统,分别通过石英晶体片和数字图像相关方法来测量应力和应变信号,得到了PBX炸药在应变率102s-1附近间接拉伸条件下的应力应变曲线,并建立了对应的动态拉伸本构关系模型.结果表明,PBX炸药的拉伸强度、失效应变和拉伸弹性...     

Al/Fe_2O_3/PTFE反应材料制备及性能

采用模压烧结法制备Al/Fe_2O_3/聚四氟乙烯(PTFE)反应材料。通过万能实验机、落锤仪以及高速摄影仪对不同配比及烧结温度下成型Al/Fe_2O_3/PTFE反应材料的准静态压缩力学特性及撞击感度进行了对比实验,对其发火性能进行了分析。结果显示,330℃烧结、PTFE含量为60%和70%的试件强度最高,最大真实应力达到46 MPa。350℃烧结、PTFE含量为40%的试件撞击感度最高,其特性落高H50为95 cm。Al/Fe_2O_3/PTFE反应材料在受撞击发火的条件下会出现高温金属熔渣喷射现象。     

底排药的高应变率动态响应实验和仿真

利用直径14.5 mm铝制霍普金森压杆(SHPB),对直径为10 mm的底排药柱试样进行应变率在103s-1量级的单轴压缩试验。实验结果表明底排药具有明显的应变率效应。利用朱王唐粘弹性本构关系,采用最小二乘法,依据实验数据拟合出朱王唐本构材料参数,并利用LS-DYNA软件的二次开发功能将拟合出的朱王唐粘弹性本构嵌入LS-DYNA软件中,进行SHPB的数值仿真模拟,与实验对比表明在应变小于0.03弹性范围内仿真模型能够很好地描述底排药高应变率力学特性。     

微结构对预扭转钨合金动态响应的影响

研究了未扭转和预扭转钨合金的力学性能，应变率范围１０－４～１０３ｓ－１．研究发现，未扭转和预扭转钨合金都具有大的应变率敏感性；未扭转钨合金表现出流动应力随应变增加而提高的特性（σ／ε＞０）；预扭转钨合金在准静态下表现为σ／ε＞０，而在高应变率下则呈现出失稳现象（σ／ε＜０）；预扭转试件的表面有肉眼可观察到的“亮带”出现，而未扭转试件则未出现．微观实验及分析表明，失稳现象与钨合金组元的热力性能和空间结构分布有关．     

针对软材料实验的改进型霍普金森杆

为深入了解泡沫材料的力学性能,研究者们应用了不少的实验手段。以改进的分离式霍普金森压杆技术（SHPB）为试验手段,选取某型聚氨酯泡沫为试件,通过与其他常规试验进行比较,证明了改进型SHPB装置的有效性。     

钨颗粒增强铝/聚四氟乙烯材料的冲击反应特性

针对模压烧结法制备的4种不同配比的铝/钨/聚四氟乙烯(Al/W/PTFE)反应材料,采用分离式霍普金森压杆加载方法和高速摄影技术研究其冲击反应特性。实验结果表明：随着W含量的增加,反应材料的屈服强度和破坏强度提高;反应材料的应力-应变曲线分为弹性阶段、硬化阶段和破坏阶段,动态压缩特性具有明显的应变率效应;Al/W/PTFE反应材料的冲击反应过程可分为变形、破坏和燃烧反应;Al/W/PTFE反应材料中增加W含量,提高了材料的反应应变率阈值和比能量阈值。     

高温下砂岩动态力学特性研究

为研究高温下岩石的动态力学特性,组建了高温霍普金森压杆(SHPB)试验系统。并对处于不同温度等级（室温25～1 000 ℃）下的砂岩试件进行单轴动态压缩试验,研究了不同等级高温作用下砂岩峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。研究表明：砂岩动态力学特性的变化规律在100 ℃和200 ℃前后均发生了明显变化;200 ℃后砂岩峰值应力、弹性模量降低、峰值应变迅速增大;在高于600℃温度作用下砂岩动态力学特性较室温状态发生显著劣化。从材料的微观结构特征角度对高温下砂岩动态力学特性进行分析发现,不同温度等级高温对砂岩破坏的微观机理并不相同。研究成果可以为分析地下工程围岩在高温下的动态力学响应提供参考。     

改性双基推进剂高低应变率下压缩特性试验研究

在室温20 益下,利用分离式霍普金森压杆( SHPB) 和材料万能试验机进行了某改性双基推进剂高低应变率下压缩试验,并对SHPB 试验数据有效性进行了检验,获得了1. 1 伊10 -4 ~4 伊 103 s-1应变率范围内的真实应力-应变曲线。试验结果表明:改性双基推进剂具有明显的应变率相关性。低应变率下,真实应力-应变曲线表现为初始弹性段、屈服及应变强化段和急剧下降阶段, 最后表现为试件沿45毅~55毅斜面发生破坏,且破坏应力和破坏应变均随着应变率增加而增加;高应变率下,真实应力-应变曲线的应变强化阶段消失,表现为应变软化效应。改性双基推进剂的初始弹性模量和屈服应力均随着应变率的增加而增加,且动态相比准静态下增加更加显著。屈服应力为应变率对数的双线性关系,且高应变率下比低应变率下表现出更显著的应变率敏感性。     

SHPB实验加载方式对PBX炸药力学响应的影响研究

高聚物粘结剂炸药(PBX)炸药的损伤本构关系是炸药安全性研究的重要基础课题之一。研究PBX炸药的损伤本构关系需要建立在准确获取和认识PBX炸药的动态力学响应基础之上。为此,针对某PBX炸药的SHPB实验,详细探讨加载方式的细节设计对PBX炸药力学响应的影响。通过采用不同应变加速度、不同加载脉宽以及重复加载等方法,分析了不同加载条件对PBX炸药力学响应的影响,并获得了一系列不同加载脉宽、不同加载应变率的应力应变曲线。采用扫描电镜观察回收试样最终损伤形态,分析了PBX炸药动态单轴压缩下的损伤发展过程及其在应力应变关系上的表现。结果表明:应变加速度过大仍会对PBX炸药形成一定的冲击加载,造成额外损伤;经历动态单轴压缩后破坏的试样表现为晶体多次穿晶断裂甚至碎裂;典型PBX炸药的损伤本构关系可从微裂纹的产生、稳定扩展,穿越晶界失稳扩展来描述。     

钢纤维混凝土动态劈裂实验研究

采用分离式霍普金森压杆对钢纤维混凝土(SFRC)进行了动态劈裂实验,测试出其动态劈裂破坏最低强度。SFRC动态劈裂应力时程曲线基本上呈双峰型,随着纤维体积率的增加,SFRC耗能能力相应增大,应力波在SFRC中的衰减程度越大。钢纤维对SFRC的增强和增韧性能良好,在冲击劈裂荷载下,决定试件破坏的主要因素是胶凝体与钢纤维之间的粘结强度,而不是钢纤维本身抗拉强度。     

中高应变率条件下TC18钛合金动态力学行为的实验研究

应变和应变率是影响材料力学行为的两个重要因素,分离式霍普金森压杆（SHPB）技术是实现不同应变和应变率加载的有效途径之一。为研究室温下TC18钛合金的塑性变形和破坏行为,采用SHPB,通过调节子弹长度和速度实现对TC18钛合金圆柱试样不同应变和应变率的加载。实验得到了TC18钛合金在不同应变率下的真应力-真应变曲线和同一应变率不同应变下的真应力-真 应变曲线,并分别分析了应变硬化和应变率强化效应对TC18钛合金的动态力学性能的影响。实验结果表明：TC18钛合金压缩试样破坏时断口与加载方向（轴线）之间的夹角约为45°,其压缩破坏形式为典型的剪切破坏,与应变和应变率相关;应变率越高,TC18钛合金的流动应力和屈服强度越高,故该材料具有明显的应变率强化效应;绝热剪切带是裂纹形成和试样发生宏观剪切破坏的先兆。     

PTFE/Al反应多层膜的制备及力学性能

以铝(Al)为可燃物质,聚四氟乙烯(PTFE)为氧化剂,利用射频磁控溅射法制备了不同厚度,交替沉积的PTFE/Al反应多层膜。采用原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射仪(XRD)研究了溅射功率对薄膜表面形貌的影响规律,得到了PTFE/Al反应多层膜适宜的制备工艺,利用纳米压痕仪研究了PTFE/Al反应多层膜的力学性能。结果表明,当射频溅射功率分别为50 W和150 W时,制得的PTFE薄膜和Al薄膜的平均粗糙度与均方根粗糙度均较低。当PTFE/Al反应多层膜总厚度约为300 nm时,与相同厚度的纯PTFE膜和纯Al膜相比,PTFE/Al反应多层膜具有较高的硬度和弹性模量,分别为5.8 GPa和120.0 GPa。     

Al/Fe2O3/PTFE材料压缩力学性能与冲击反应特性

为研究铝/三氧化二铁/聚四氟乙烯(Al/Fe_2O_3/PTFE)材料在准静态压缩情况下的力学性能和落锤冲击条件下的反应特性,在Al/Fe_2O_3基础上加入不同体积分数的PTFE作为粘合剂,制备了多功能结构性Al/Fe_2O_3/PTFE含能材料,并用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征。结果表明,在准静态压缩条件下,随着PTFE含量的增加,材料的压缩强度、应变硬化模量、屈服强度、密度以及最大真实应变逐渐增大。当PTFE体积分数由40%增加到80%时,复合材料的强度由16 MPa逐渐上升到87 MPa。在落锤冲击条件下,PTFE体积分数为40%和60%的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料均能在落锤冲击下发生剧烈爆炸和燃烧,而加入80%PTFE的复合材料在高速摄影下也仅观察到微弱的火星,反应十分微弱。随着PTFE的增加,复合材料的感度逐渐降低,特性落高分别为55,58 cm和85 cm,发火延时分别为50,100μs和200μs。40%PTFE含量的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料落锤冲击后产物为AlF_3、Al_2O_3、FeF_2和炭黑,证实了铝热反应的发生,FeF_2不是PTFE与Fe_2O_3反应的产物,而是由铝热反应产生的Fe与PTFE分解产物之间的化学反应产生的。