收稿日期:20130820
基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102023,11202028)
；爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)自主基金资助项目(Y B K T 12-02)；北京理工大学优秀青年教师资助项目(2011Y R 0203
)作者简介：王成龙(1989 )，男，博士生,E -m a i l :20080909@b i t .e d u .c n .通信作者：黄广炎(1982 )，男，博士，讲师,E -m a i l :h u a n g g y
@b i t .e d u .c n .第33卷 增刊22013年12月
北京理工大学学报
T r a n s a c t i o n s o fB e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y
V o l .33 S u p p
l .2D e c .2013
王成龙, 黄广炎, 冯顺山, 董永香, 邹浩
(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081
)摘 要：为研究金属氟聚物㊁铝热剂和金属间化合物等3种类型反应材料的冲击反应压力特性，选择A l -P T F E ㊁A l -F e 2O 3以及A l -N i 制成反应破片，基于弹道驱动发射，使破片冲击前置靶板，并在密闭箱体内发生剧烈化学反应，通过箱壁上不同位置处的压力传感器记录箱体内的动态压力散布特征.试验结果显示，同体积反应破片以循环流化床锅炉脱硫
1200m /s 冲击贯穿2mm 厚L Y -12硬铝板，进入密闭试验箱内产生的反应压力峰值p A l -N i >p A l -F e 2O 3>p A l -P T F E ;A l -N i ,A l -F e 2O 3和A l -P T F E 的能量释放率依次为74%㊁40%和10%，并且在试验中观察到了因反应材料二次燃烧反应消耗气体产生的负压峰值.
关键词：反应破片；冲击反应；能量输出；压力特性；负压
中图分类号:T J 760.3 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2013)增刊2-0048-04
E x p e r i m e n t a l S t u d y o nP r e s s u r eC h a r a c t e r i s t i c s o fT y p
i c a l R e a c t i v eF r a g m e n t I m p
a c t -I n d u c e dR e a c t i o n WA N GC h e n g -l o n g , HU A N G G u a n g -y a n , F E N GS h u n -s h a n ,D O N G Y o n g -
x i a n g , Z O U H a o (S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fE x p l o s i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 1
00081,C h i n a )A b s t r a c t :A l -P T F E ,A l -F e 2O 3a n dA l -N i r e a c t i v em a t e r i a l sw e r em a d e i n t o r e a c t i v e f r a g m e n t s t o r e s e a r c h t h e r e a c t i o n p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s a b o u t m e t a l -
f l u o r i n e p o l y m e r ,t h e r m i t a n d i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d i n t h e c l o s e d t e s t c h a m b e r .T h e f r a
g m e n t sw e r ed r i v e nb y b
a l l i s t i c g u n ,i m p a c t e d t h e f r o n t -t a r g e t a n d e n t e r e d i n t o t h e c l o s e d t e s t c h a m
b e r ,u n d e r g o i n g a v i o l e n t
c h e m i c a l r e a c t i o n .T h e
d y n a m i c r
e a c t i o n p r e s s u r e sw e r em e a s u r e db yp
r e s s u r e s e n s o r s ,w h i c hd i s t r i b u t e d i n t h e c h a m b e rw a l l .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a tw i t h t h e s a m ev o l u m e a n d t h e s a m e e x p
e r i m e n t a l c o n d i t i o no fi m p a c t i n g 2mm -L Y 12
f r o n t -t a r
g e t w i t
h a s p e e d o f1200m /s ,A l -N ir e a c t
i v e f r a g m e n t h a d t h e g r e a t e s t v a l u eo fm a x i m u mr e a c t i o n p r e s s u r e a n dA l -P T F Er e a c t i v e f r a g m e n t s h a d t h e l e s t .T h ee n e r g y r e l e a s ee f f i c i e n c y o fA l -N i ,A l -F e 2O 3a n dA l -P T F Ei s72%,40%a n d 10%.T h e n e g a t i v e p r e s s u r ec a u s e d b y t h es e c o n d a r y r
层板托
e a c t i o n o fr e a c t i v e m a t e r i a l si sa l s o o b s e r v e d i n t h i s e x p
e r i m e n t .K e y w o r d s :r e a c t i v e
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g m e n t ;i m p a c t -i n d u c e d r e a c t i o n ;e n e r g y r e l e a s e ;p r e s s u r e c
h a r a c t e r
i s t i c s ;n e g
a t i v e p r e s s u r e 反应材料通常是指由两种或多种化学物质组成
的且常规状态下相对稳定，但在高速冲击作用下能
发生剧烈化学反应的材料.现在公布的反应材料配方主要包括金属氟聚物混合物㊁铝热剂㊁金属间化
合物以及复合材料和新型等[1].
反应破片的配方设计和能量输出特性是目前反应材料研究所亟待解决的问题，国内外研究学者进行了大量的实验和研究[26]，可较好地表征出反应材料破片在冲击作用条件下的能量释放规律，但是针对不同反应类型反应破片的冲击反应压力特性，还没有学者展开具体研究.
因此本文在其他学者对反应破片能量输出和材料配方研究的基础上考虑不同类型反应材料冲击反应压力以及二次反应产生的压力特性，对密闭试验箱压力测试系统进行改进，以研究3种不同反应类型反应材料A l-P T F E,A l-F e2O3以及A l-N i的冲击反应压力特性.
1实验
1.1实验样品
选用3种反应类型反应材料，通过相同的粉末混合压制成型工艺，制成同体积大小的反应破片，破片尺寸为Φ10ˑ15mm，破片外部由0.5mm厚的铝壳包覆，压制成型后的反应材料性能参数见表1.
表1反应破片性能参数
T a b.1P r o p e r t i e s o f r e a c t i v e f r a g m e n t
试件配方类型配比质量分数成型密度/(g㊃c m-3) 1#A l-P T F E A l-26.5%;P T F E-73.5%1.96
2#A l-F e2O3A l-25%;F e2O3-75%2.14
3#A l-N i A l-30%;N i-70%2.74
1.2实验原理
反应破片冲击反应压力特性实验原理如图1所示.通过口径为12mm的的弹道驱动发射装置，使破片以一定速度发射，通过高速摄影测量破片的着靶初速.
破片冲击贯穿前靶板后进入验箱内部发生剧烈化反应，并引起验箱内压力变化.为准确测量反应破片反应压力以及二次反应产生的压力变化，设计密闭试验箱由前后两段的1#测试箱和2#测试箱串联组成，箱体连接处用橡胶垫圈进行密封.1#和2#测试箱规格相同内径为260mm，长度300mm，壁厚10mm，前靶板为2mm厚L Y-12硬铝，厚实防护靶为20mm厚A3钢防止破片击穿试验箱.
冲击传感器安装在前靶板上，为压力测试系统提供激发信号,3个压力传感器放置于箱体侧壁，沿反应破片弹道轴线分布，其中1#㊁2#传感器布于1#测试箱主要记录不同空间距离上材料在冲击作用诱发化学反应产生的压力,3#传感器布于2#测试箱主要记录材料二次反应作用下的压力的变化
.
F i g.1S c h e m a t i c o f b a l l i s t i c e x p e r i m e n t a l s e t u p
2试验结果
试验测量了3种反应破片以1200m/s的速度侵彻密闭试验箱的反应压力特性.反应破片冲击贯穿2mm厚L Y-12硬铝靶后，进入试验箱内发生剧烈的反应化学反应并释放出大量能量，在试验箱体内产生压力变化.
A l-P T F E配方反应破片以1178m/s的速度碰撞前靶板进入试验箱内发生反应后所测的压力曲线如图2所示.1#传感器记录的有效正峰值压力为66k P a,2#传感器为65k P a,3#传感器为45k P a .
图2 A l-P T F E配方反应以1178m/s撞击试验箱压力曲线
F i g.2 P r e s s u r e t i m e t r a c e s o fA l-P T F Er e a c t i v e f r a g m e n t a t1178m/s 94
增刊2王成龙等：典型反应破片冲击反应压力特性试验研究
A l-F e2O3配方反应破片以1187m/s的速度碰撞前靶板进入试验箱内发生反应后所测的压力曲线如图3所示.1#传感器记录的正峰值压力为142k P a,2#传感器为105k P a,3#传感器记录的正峰值压力为101k P a，负压力峰值为55k P a.
A l-N i配方反应破片以1168m/s的速度碰撞前靶板进入试验箱内发生反应后所测的压力曲线如图4所示(纵坐标轴尺度放大2倍).1#传感器记录的正峰值压力为155k P a,2#传感器为105k P a,3#传感器记录的正压力85k P a，负压力峰值为459k P a
.
图3 A l-F e2O3配方反应以1187m/s撞击试验箱压力曲线
F i g.3 P r e s s u r e t i m e t r a c e s o fA l-F e2O3r e a c t i v e f r a g m e n t a t1187m/s
图4 A l-N i配方反应以1168m/s撞击试验箱压力曲线
F i g.4 P r e s s u r e t i m e t r a c e s o fA l-N i r e a c t i v e f r a g m e n t a t1168m/s
茶浴炉3分析与讨论
3.1冲击作用直接诱发的反应压力分析
反应破片受到冲击作用，诱发材料各组分间发
生剧烈的化学反应，释放大量能量，作用于密闭试验
箱体内，加热箱体内空气导致压力上升，其能量输出
与密闭试验箱内压力有以下关系[4]
ΔU=Vγ-1Δp,(1)
式中:ΔU为反应破片总能量变化,k J;V为试验箱
的体积,L;γ为试验箱内空气的比热率;Δp为在试
验箱内的压力增量,M P a.
将1#传感器记录的3种类型反应材料冲击作
用下所产生的压力峰值代入式(1)中，可得到A l-
P T F E,A l-F e2O3和A l-N i3种不同类型反应破片
以1200m/s的速度冲击贯穿2mm后L Y-12硬铝
靶进入试验箱内部所输出的能量分别为2.590,
5.650,
6.169k J，对应能量释放率约为10%,40%和
74%.因此在本文的试验条件下A l-N i的能量释放
不倒翁玩具率最高，其次为A l-F e2O3，而A l-P T F E的能量释放
率最低仅为10%，这主要由材料的冲击反应阈值
决定.
3.2二次反应造成的负压现象
试验中首次观察到了3#传感器有明显的负压
现象，以下对这种现象进行初步分析.3种类型反
应材料在冲击作用下的动态化学反应过程分别如式
(2)~(4)所示
3A l+4C2F4ң3A l F3+8C,(2)
2A l+F e2O3ңA l2O3+2F e,(3)
A l+N iңA l N i.(4)
通过之前的研究观察可知道，这一化学反应持
续时间通常为几个至十几个mm，本次试验获得的
压力时间曲线结果同样可以得到这样的结论.随
后这些生产物将会与试验箱内的空气接触并发生以
下相对缓慢的燃烧反应.
05北京理工大学学报第33卷
C+O2ңC O2,(5)
4F e+3O2ң2F e2O3,(6) 4A l N i+5O2ң2A l2O3+4N i O.(7) C与氧气反应后生成等物质量的C O2，因此气体总的物质量没有变化，在试验中A l-P T F E配方没有负压的产生.F e和A l N i与氧气的反应生成固态产物，总的气体的物质量减少，参考理想气体状态方程推导得
Δ-p=p t-p0=n t T t V R-p0.(8)式中:n t为被消耗的空气量，由配方材料燃烧方程确定;T t为试验箱内的反应温度.忽略反应的温度效应，当试验箱内的空气量n t大量减少时，会在箱体内形成一个负压.
单位体积A l-N i配方消耗的氧气量大于单位体积的A l-F e2O3配方，因此A l-N i获得负压峰值大于A l-F e2O3负压峰值.同时因为二次反应负压产生的影响,2#传感器记录的正压力峰值比1#传感器出现了较大的衰减.
试验中A l-N i配方3#传感器产生的负压峰值绝对值远大于正峰值现象，以及随后的压力缓慢上升超过正压力峰值现象，都还需要进一步深入研究. 4结论
针对不同反应类型的反应破片能量输出机理问题，本文使用密闭试验箱压力测试方法，对3种不同类型的反应破片(金属聚合物反应类型㊁铝热反应类型㊁合金化反应)的反应压力进行了测试分析.试验结果表明，在同体积情况下，反应破片以1200m/s冲击贯穿2mm厚L Y-12硬铝板，进入密闭试验箱内产生的反应压力峰值p A l-N i>p A l-F e2O3> p A l-P T F E;A l-N i,A l-F e2O3和A l-P T F E的能量释放率依次为74%,40%和10%.试验中观察到了因反应材料二次燃烧反应消耗气体产生的负压峰值，这种新的发现对反应材料的反应机理研究㊁配方设计和毁伤模式具有重要的意义，需进一步研究.
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射击标靶W a n g C h e n g l o n g,H u a n g G u a n g y a n,F e n g S h u n s h a n,e t a l.E x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nd a m a g i n g t h e m u l t i-l a y e r a f t e r e f f e c t t a r g e t b y r e a c t i v e f r a g m e n t[C]ʊP r o c e e d i n g s o ft h e13t h N a t i o n a l S y m p o s i u m o n W a r h e a d a n d D a m a g e T e c h n o l o g y.H u a n g s h a n:[s.n.],2013: 956960.(i nC h i n e s e)
(责任编辑：刘雨)
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增刊2王成龙等：典型反应破片冲击反应压力特性试验研究
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