活性材料响应特性的激活探究

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：从本质上讲，活性材料的激活响应及其反应特性、延迟反应时间均与所受的冲击波应力密切相关。初始冲击波压力较小时，两个活性材料试样均未完全激活，试样激活长度主要取决于初始冲击波压力。式表明，对于相同配方的活性材料，其激活应力阈值σt和经验常数C一定时，碰撞应力对活性材料反应延迟时间影响显著。分别取经验常数C为0.3、0.2、0.1和0.05，活性材料激活应力阈值为2 GPa，则碰撞应力对反应弛豫时间的影响如图3.14所示。

显著不同于高能炸药、火药等传统含能材料一经起爆便以稳定爆速传播方式自持释放出所有的化学能，活性材料由于受力学强度和密度的制约，一般无法通过传统起爆方式实现化学能的自持释放，只有在高速碰撞、爆炸等强冲击作用下，通过产生高应变率塑性变形和碎裂才能被激活，并以非自持爆燃方式部分或全部释放出化学能。换句话说，一个活性材料样品中的各个部分需要各自受到外来作用激活才能发生化学反应，反应很难从一个激活发生化学反应的部分传播到临近的部分。从本质上讲，活性材料的激活响应及其反应特性、延迟反应时间均与所受的冲击波应力密切相关。

对于活性材料内的某一微元，当其应力达到一定阈值时，才会激活并发生化学反应。活性材料的激活应力阈值与材料组分特性、配比、颗粒尺寸、制备工艺等因素紧密相关。当冲击波对活性材料试样进行加载时，在一维条件下，假设冲击波从试样一端开始加载，在密实介质中，冲击波压力变化服从指数衰减规律。在活性材料试样中，冲击波压力衰减规律为

式中，x为冲击波在活性材料中的传播距离；P（x）为冲击波在传播距离x处的压力值；P0为初始冲击波压力；δ为与材料有关的常数。

根据活性材料冲击激活机理及冲击波在密实介质中的衰减规律，假设在冲击波传播到xi距离范围内活性材料微元激活，活性材料在某点处的应力与冲击波传播到此处的压力大小相等，则xi处活性材料激活应力阈值可表述为

由此可得

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活性材料试样最大激活长度为试样长度，则

式中，Lmax为活性材料试样长度。

式（3.41）表明，活性材料试样未完全激活时，其激活长度主要受系数δ、激活应力阈值Pt和初始冲击波压力P0的影响，其中δ、Pt均与活性材料本身性质相关。活性材料性质一定时，活性材料的激活率主要受加载冲击波幅值的影响；而当活性材料完全激活时，其激活长度与试样长度相等。

根据式（3.40），当δ值分别为1.0、1.5、2.0和3.0时，初始冲击波压力与激活应力阈值比对活性材料试样激活长度的影响如图3.13所示。当冲击波压力与激活应力阈值相等时，激活长度几乎为0；初始冲击波压力继续增大时，活性材料试样激活长度逐渐增大；δ值越大，活性材料试样激活长度越小。

根据活性材料激活反应模型，以材料性质相同，长度分别为L1和L2（L1＜L2）的活性材料试样为例，其冲击激活反应及释能特性包括3种情况。

初始冲击波压力较小时，两个活性材料试样均未完全激活，试样激活长度主要取决于初始冲击波压力。两个活性材料试样激活长度相同时，虽然较长活性材料试样的质量较大，但两个活性材料试样最终释能量相同。

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图3.13　初始冲击波压力对活性材料试样激活长度的影响

初始冲击波压力逐渐增大时，L1活性材料试样已完全激活，L2活性材料试样未完全激活。L1活性材料试样激活长度主要由自身长度决定，而L2活性材料试样，激活长度依然取决于冲击波初始压力大小。由于激活长度不相同，较长活性材料试样释放化学能较多，但所产生的能量与二者的尺寸不成比例。

当初始冲击波压力更大时，两个活性材料试样均完全激活。激活长度主要取决于活性材料试样初始长度，活性材料试样越长，激活长度越大，化学释能量越多。此时二者化学释能量与活性材料试样的质量、长度成正比。

对于聚合物基活性毁伤材料，其化学反应主要包括聚合物基体分解和活性金属与分解产物氧化还原反应，产生大量气体产物、化学能和热量。一般而言，在高应变率冲击或爆炸加载下，活性材料微元温度升高，高分子聚合物基体首先发生分解。当分解产物达到一定浓度时且温度也达到活性材料反应温度阈值时，活性金属与分解产物开始发生剧烈化学反应，释放化学能。由此可见，从高应变率冲击或爆炸加载开始，至微元温度上升、基体分解，到最终活性材料发生剧烈爆燃反应，需要一定延迟时间，即反应弛豫时间。

研究表明，活性材料加载应力与反应弛豫时间之间的关系可表述为

式中，τ为活性材料反应弛豫时间；σ为碰撞应力；σt为活性材料激活应力阈值；C为与活性材料有关的经验常数。

式（3.42）表明，对于相同配方的活性材料，其激活应力阈值σt和经验常数C一定时，碰撞应力对活性材料反应延迟时间影响显著。分别取经验常数C为0.3、0.2、0.1和0.05，活性材料激活应力阈值为2 GPa，则碰撞应力对反应弛豫时间的影响如图3.14所示。从图中可以看出，活性材料经验常数C值确定时，活性材料反应弛豫时间随碰撞应力的增大而减小；当碰撞应力与激活应力阈值接近时，反应弛豫时间的变化率较大，略微增大碰撞应力即可实现反应弛豫时间的快速减小。而当碰撞应力远大于激活应力阈值时，反应弛豫时间的变化率逐渐减小，碰撞应力继续增大，反应弛豫时间趋于稳定。此外，活性材料经验常数C对活性材料反应弛豫时间影响显著，反应弛豫时间随经验常数C的增大而增加。

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图3.14　碰撞应力对活性材料反应弛豫时间的影响

当与活性材料有关的经验常数C为0.3时，取活性材料激活应力阈值分别为0.5 GPa、1 GPa、2 GPa和3 GPa，则碰撞应力对材料反应弛豫时间的影响如图3.15所示。在不同活性材料激活应力阈值条件下，反应弛豫时间衰减规律类似，当碰撞应力低于材料的激活应力阈值时，活性材料不发生激活；随着碰撞压力增大至活性材料的激活应力阈值，反应弛豫时间随碰撞应力的增大逐渐减小，但不同激活应力阈值的活性材料的反应弛豫时间最终趋于一致。

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图3.15　碰撞应力对活性材料反应弛豫时间的影响

活性材料响应特性的激活探究

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