疏松态ZrH2的冲击压缩特性研究

2022-12-14代永富唐运彬蒲传金肖定军林谋金

兵器装备工程学报 2022年11期

代永富，薛冰,2，唐运彬，蒲传金,2，肖定军,2，林谋金,2

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010；2.西南科技大学工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川绵阳 621010)

1 引言

金属氢化物作为极具潜力的含能添加剂，被应用于混合炸药和活性破片中，并得到了广泛的关注。Selezene等[1]研究了铝粉、镁粉以及它们的金属氢化物对硝酸铵、黑索金(RDX)及奥克托今(HMX)爆轰参数的影响，发现含金属氢化物粉末炸药的爆速比含相应金属粉末的炸药要高。程扬帆[2-4]较早地开展了金属氢化物在乳化炸药中的应用研究，结果表明在乳化炸药中引入氢可以有效提高爆炸威力，铅柱压缩实验表明，氢化镁能够使乳化炸药的猛度提高25%左右。薛冰等[5-7]利用爆炸实验手段研究了TiH2、MgH2对RDX爆炸性能的影响，结果表明部分金属氢化物能提高RDX基混合炸药的爆炸冲击波性能和爆炸能量。同时，金属氢化物也常被应用于活性材料中，能够提高材料强度以及参与反应时提高能量释放水平。于钟深等[8-11]首次将TiH2添加到Al/PTFE中开展力学性能、释能特性等研究，结果表明：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%；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。张军等[12-13]将ZrH2添加到Al/PTFE中开展准静态压缩、落锤冲击和高速撞靶实验，结果表明：质量分数为10%的ZrH2能提高Al/PTFE反应材料的力学强度，使其屈服强度与失效应力分别达到22.2 MPa与93.3 MPa，也可降低材料撞击感度，使其点火激发能增加1.93 J；且Al/ZrH2/PTFE穿靶孔径为Al/PTFE的1.5倍。上述研究均表明金属氢化物作为含能添加剂应用潜力巨大。

为了研究金属氢化物在爆轰高压下的冲击响应，以及含金属氢化物活性破片的冲击释能行为，有必要对其冲击压缩特性进行研究。金属氢化物通常作为粉末被添加到其他物质中，由于自身具有反应特性，所以在其应用过程中一般采用累积叠轧法和粉末模压成型法，从而制得具有一定孔隙率的混合物。因此，本研究以二元金属氢化物ZrH2为研究对象，利用平板撞击实验研究其疏松态冲击绝热线，同时基于实验结果对不同冲击绝热线计算模型进行了对比研究，并计算了不同孔隙率ZrH2的冲击绝热线。通过分析冲击回收产物，研究了冲击作用下ZrH2的物相和形貌变化。

2 实验

2.1 实验材料

实验使用纯度为99.9%的ZrH2粉末(锦州市金属材料研究所)，通过激光粒度仪(LS13320)对其粒度进行测试，结果如图1所示。ZrH2粉末的粒径范围为0.4～63.4 μm，平均粒径(D50)为8.5 μm，其中粒径为13.0 μm的ZrH2颗粒含量最高。本实验使用粉末模压成型工艺，轴向压力为212 MPa和120 MPa，分别制得孔隙率P=20%和P=35%的样品，2组样品的平均初始密度分别为4.460±0.022 g·cm-3和3.574±0.026 g·cm-3，直径d为26.34±0.040 mm，ZrH2样品如图2所示。

图1 ZrH2粉末的粒度分布曲线

图2 ZrH2压片样品照片

2.2 平板撞击实验

实验利用一级轻气炮进行平板撞击实验，图3为平板撞击实验的实验系统结构示意图。为调整碰撞压力，飞片材料选取LY12铝、无氧铜(OFHC)和钨(W)，实验飞片冲击速度范围为191～873 m/s。利用激光位移干涉仪(displacement interferometer system for any reflector，DISAR)测量自由面速度，通过工装布置了4个电探针和2个光纤探头，分别记录冲击波到达ZrH2样品前、后表面的时刻，以此来计算冲击波速度。

图3 实验系统结构示意图

3 结果与讨论

3.1 数据处理

为了获得样品自由面速度历程，首先将DISAR测试获得的原始频域干涉信号变换为时域信号，典型处理结果如图4(a)和4(b)所示，提取时频信号的脊线后再通过式(1)可计算得到ZrH2样品的自由面速度剖面，如图4(c)所示，结果表明191 m·s-1冲击速度下未出现粉末压溃行为；而当冲击速度为401 m·s-1时，速度剖面出现粉末压溃导致的速度拐点为242 m·s-1，说明P=20%的ZrH2在冲击压力为1.121 GPa时开始出现压溃行为。

(1)

式中：u(t)为某时刻的自由面速度；λ=1 550 nm为激光波长；fd(t)为某时刻的多普勒频移。

图4 ZrH2样品的时频图和自由面速度剖面图(P=20%)Fig.4 Time-frequency diagram and free surface velocity profile of ZrH2 samples(P=20%)

在测量不同孔隙率ZrH2的Hugoniot关系实验中，不确定度主要来源于冲击波速度Us和自由面速度uFS测量，其中冲击波速度由DISAR和电探针组合的测试系统测得，样品自由面速度由DISAR直接测得。电探针测试系统的时间分辨率可达到纳秒级，其响应时间约为20～30 ns，本次实验测量的冲击波传播时间最小为1.7 μs，因此测试不确定度小于2%；DISAR系统时间分辨率可达50 ps，且响应较快，其测速的不确定度相比于电探针可以忽略不计。

3.2 实验结果

本研究对2组不同孔隙率的ZrH2样品分别进行了平板撞击实验，孔隙率P=20%的ZrH2样品共进行了4次平板撞击实验，实验结果线性度较好；孔隙率P=35%的ZrH2样品平板撞击实验结果较离散，因此进行了7次冲击加载实验，实验数据见表1。

表1 实验数据

平板撞击实验的冲击压力范围为0.518～3.236 GPa。通过最小二乘法对ZrH2样品US-up实验结果进行拟合，拟合结果分别为:P=20%，US=1.879+1.639up(R2=0.97)；P=35%，US=0.666+2.610up(R2=0.97)，如图5—图6所示。

图5 ZrH2的US-up关系(P=20%)

图6 ZrH2的US-up关系(P=35%)

3.3 冲击绝热线预测

王青松[14]将Batsanov等[15]建立的理论方法和Mie-Grüneisen物态方程进行拓展，建立了计算多孔材料冲击绝热线的半经验方法。该方法只需已知材料在某种初始状态下的冲击绝热线，即可计算出其他任意初始状态下的冲击绝热线，弥补了目前几种常用的计算疏松材料冲击绝热线理论方法需以密实材料冲击绝热线为参考的局限性。

假定标准材料的Hugoniot关系中冲击波速度US和粒子速度up为线性关系[16]，即:

US=C0+λup

(2)

式中:C0、λ为Hugoniot参数。王青松提出的半经验方法为：

(3)

式中：up1、up2为2种不同初始状态的疏松材料的粒子速度，m=V2/V1，V1、V2为2种不同初始状态的疏松材料的比容，k为空气的多方指数(空气的k=1.4)，ρ1为标准材料的初始密度，若其Hugoniot参数是已知的，则可以推导出任意初始状态疏松材料的p-up关系。

由Mie-Grüneisen物态方程和US-up关系得到其他初始状态疏松材料的Hugoniot关系：

(4)

式中：φ=1-V2/V1，γ0为标准材料的Grüneisen系数。当标准材料的初始比容、Grüneisen系数以及Hugoniot参数(C0和λ)已知时，可直接计算出疏松材料(初始比容为V2)的Hugoniot参数。为获得Grüneisen系数γ，可使用下列近似方程获得[17]：

(5)

式中：V为相应材料的比容；α为体积热膨胀系数；Cv为定容热容；K为体积模量。ZrH2固体的比容V=0.178 cm3/g，根据相关文献计算结果有[18]，α=5.487 3×10-5K-1，Cv=67.136 J·mol-1·K-1，K=119.59 GPa。将上述数据代入方程(5)，得到ZrH2固体的Grüneisen系数γ=1.623。为了得到疏松态ZrH2的Grüneisen系数，可采用经验公式γ/V=γ0/V0进行估算。

首先以孔隙率为20%的ZrH2样品作为标准材料，由γ/V=γ0/V0计算得到γ0,20%=2.044。根据式(3)、式(4)，利用孔隙率P=20%的ZrH2样品Hugoniot关系计算孔隙率P=35%的ZrH2样品冲击绝热线。然后进行反向计算，以P=35%的ZrH2样品为标准材料，由γ/V=γ0/V0计算得到γ0,35%=2.550。根据式(3)、式(4)，利用孔隙率P=35%的ZrH2样品的Hugoniot关系计算孔隙率P=20%的ZrH2样品的冲击绝热线。将计算结果与实验结果进行比较，如图7、图8所示。

对比结果表明，当以低孔隙率(P=20%)作为标准材料计算高孔隙率的冲击绝热线时，由式(3)计算得到孔隙率P=35%的ZrH2样品的US-up及p-up关系与实验结果吻合较好，说明根据孔穴塌缩能量建立的疏松材料冲击绝热线预测方法具有较好的适用性，基于此进一步预测了ZrH2孔隙率分别为25%、30%、40%、45%、50%时的US-up关系和p-up关系，如图9所示。但由式(4)计算得到的ZrH2样品冲击绝热线与实验结果相差较大，其可能原因为Grüneisen系数的两次近似计算，使其与疏松态ZrH2样品真实Grüneisen系数相差较大，且计算采用的标准材料(P=20%)与预测材料的孔隙率相差过大，从而降低了式(4)预测的准确性。

图7 P=35%时ZrH2的冲击绝热线计算结果(标准材料P=20%)

图8 P=20%时ZrH2的冲击绝热线计算结果(标准材料P=35%)

图9 不同孔隙率ZrH2样品冲击绝热线曲线

以高孔隙率(P=35%)作为标准材料计算低孔隙率(P=20%)的冲击绝热线，计算得到的Hugoniot参数C0与实验相差不大，但λ的计算值与实验值相差达89%。这是因为在本次实验中，P=35%样品的冲击加载压力较低，在此冲击压力下反向预测P=20%样品所得到的粒子速度远小于实验值。而材料在低压区的冲击特性受影响因素较多，从而导致预测的冲击绝热线与实验结果相差较大，为了进行有效的反向预测，则需要更高的冲击加载压力。

3.4 冲击产物回收与分析

利用一级轻气炮对P=35%的ZrH2样品进行冲击回收实验。实验采用的飞片和回收舱均为无氧铜材质，实验撞击速度为800 m/s，由阻抗匹配计算得到撞击入射压力为16.2 GPa。图10为ZrH2冲击回收样品的XRD分析结果，表明冲击后的ZrH2没有发生明显的物相变化。但冲击后的ZrH2粉末粒度和形貌发生了变化，由粒度分析结果(图11)可以发现，冲击后的ZrH2粒度变大，原因是ZrH2粉末在冲击加载作用下，发生了团聚和相互嵌合，虽然测试前对样品进行了超声处理，但其能量较小，无法使样品有效分散，所以测得的ZrH2粒度变大。由SEM分析结果可以看到ZrH2颗粒表面有明显的裂缝和破碎现象，且有较多小颗粒团聚物，说明在冲击加载的过程中发生了冲击细化和团聚，如图12所示。