基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。     

TiH2含量对Al/PTFE动态力学性能和撞击感度的影响

采用混合压制烧结法制备了4种不同TiH₂含量的铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH₂/PTFE)试件,并基于分离式霍普金森杆和落锤冲击实验,对反应材料的动态压缩力学性能、撞击感度及反应特性进行了研究。实验结果表明,4种材料均存在应变硬化和应变率硬化效应,随加载应变率的提高,材料屈服强度和硬化模量增大。相同加载应变率下,材料屈服强度随TiH₂含量的增加而增高,材料压缩强度则先增高后降低,TiH₂质量分数为5%时材料压缩强度达到最大值166.4 MPa,比Al/PTFE强度提高6.8%。在一定含量范围内(小于5%),加入TiH₂有助于提高Al/PTFE材料撞击感度和能量释放水平,而TiH₂质量分数大于10%时,材料撞击感度和反应剧烈程度则逐渐降低。与Al/PTFE相比,含TiH₂试件反应火光周围有明显的火星喷溅现象,且此现象TiH₂含量越高越显著。     

PTFE/Al含能复合材料的压缩行为研究

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料.研究了室温下Al含量和应变率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6×10-3s-1～8×103s-1.材料压缩性能的应变率效应明显:与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提高,但应变降低.材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分.随着Al含量的增加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在Al含量为35%时达到最高值102.6 MPa和154 MPa;引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值差别不明显,基本在165 MPa左右,材料引发后反应完全性降低.     

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE/Al含能复合物在应变率10-3~103s-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析,初步建立了材料基于Johnson-Cook塑性模型的压缩本构方程,考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE/Al弹丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合,验证了该方程的可靠性和合理性,对PTFE/Al材料的实际应用也具有一定的指导作用。     

Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究

为了研究铝（Al）/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2 180 m/s;同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。     

The study on the compressive behavior of ptfe/al energetic composite

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料. 研究了室温下Al含量和应变 率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6\times 10^{-3}s^{-1}\sim8\times 10^{3}s^{ -1}. 材料压缩性能的应变 率效应明显：与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提 高,但应变降低. 材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分. 随着Al含量的增 加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在 Al含量为35\%时达到 最高值102.6 MPa和154 MPa; 引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值 差别不明显,基本在165 MPa左右, 材料引发后反应完全性降低.     

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE/Al含能复合物在应变率10-3 ~103s-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析,初步建立了材料基于Johnson- Cook塑性模型的压缩本构方程,考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE/Al弹 丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合,验证了该方程的可靠性和合理性,对PTFE/Al材料的实 际应用也具有一定的指导作用。     

铝/硅橡胶复合材料动态压缩行为的研究

通过向开孔泡沫铝中填充硅橡胶而制备了铝 /硅橡胶复合材料 ,在Hopkinson压杆实验装置上对这种材料进行了动态压缩实验 ,分析了其动态压缩应力 应变响应特征 ,并与开孔结构泡沫铝的压缩行为进行了比较。结果表明 :铝 /硅橡胶复合材料的压缩应力 应变响应具有两个阶段的特征 ,即弹性和塑性变形阶段 ;这种复合材料具有较强的应变率效应 ,随应变率的提高 ,其屈服强度和流动应力显著上升。     

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时,需要使用超长的压杆系统,杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此,提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术,利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载,并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律;采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算,在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载,并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型,数值仿真结果表明,该实验技术能有效地实现试件的二次加载,与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较,两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验,实现了其在10² s⁻¹量级应变率下的大变形动态力学性能测试。

     

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）,往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s⁻¹的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响,采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发,开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化,建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上,开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析,探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡,试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值;(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小,但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播,建议按0.35～0.45取值;(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性,基于粉末压制成型工艺,制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验,并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术,分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时,在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能,分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明：活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用,爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。

     

PTFE材料在高应变率冲击下的力学性能

聚四氟乙烯(PTFE)在高速碰撞或者爆炸加载时的应变率可高达10⁶ s^-1,高应变率下PTFE材料的力学响应会对其材料性能产生较大影响。本文中采用压剪炮试验系统(PSPI)测试了PTFE材料在高应变率(10⁵~10⁶ s^-1)下的压缩力学性能,实验中碳化钨(WC)飞片板以一定速度撞击由前靶板、试件和后靶板组成的三明治结构,并采用激光干涉仪记录后靶板自由面的速度变化。对实验结果处理后得到该PTFE材料的应力应变数值,并拟合得到应力应变曲线。本研究对PTFE/金属复合材料制成的动能侵彻体强度及其冲击碎化机理的分析具有指导意义。

     

Loading and unloading split hopkinson pressure bar pulse-shaping techniques for dynamic hysteretic loops

Pulse-shaping techniques are developed for both the loading and unloading paths of a split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment to obtain valid dynamic stress-strain loops for engineering materials. Front and rear pulse-shapers, in association with a momentum trap, are used to precisely control the profiles of the loading and unloading portions of the incident pulse. The modifications, ensure that the specimen deforms at the same constant strain rate under dynamic stress equilibrium during both loading and unloading stages of an experiment so that dynamic stress-strain loops can be accurately determined. Dynamic stress-strain loops with a constant strain rate for a nickel-titanium shape memory alloy and polymethyl methacrylate are determined using the modified SHPB. The modified momentum trap prevents repeated loading on a specimen without affecting the amplitude of the desired loading pulse and without damaging the bar at high stress levels.