基于力学性能、能量和钝感协同控制的W-PTFE-Al新型撞击反应结构材料的若干基础问题研究

Fluorine polymer/metal composite mixture is a special category of “energetic structure composites” consisting of two or more non-explosive solid materials. Normally, Fluorine polymer/metal composite is inert material, but under high speed impact loading it will explode and release a large amount of chemical energy, thus it is also called as “impact reactive materials”. Due to the special impact reaction properties, Fluorine polymer/metal composites become an important functional structure material of warhead, and have broad application prospects in the field of military industry. In this research, a new kind of W-PTFE-Al impact reactive materials with high densities and good mechanical is proposed and investigated, which has a high reaction energy value of about 6 times of TNT. However, the influential factors to reaction mechanisms, mechanical properties, reaction energy and explosive sensitivity of materials are still not clear, and that severely restrict the design and preparation of materials. The present research is aims at revealing dynamics conditions of reaction and the effects of composition, phase size, phase distribution feature and interfacial feature on properties including reaction mechanisms, mechanical properties, reaction energy and explosive sensitivity of W-PTFE-Al materials, and then design and prepares 2-3 kinds of W-PTFE-Al reactive composites. Another purpose of this research is to establish the control method for sensitivity of explosive of W-PTFE-Al. Above works will provide theoretical and technical foundation for the preparation of W-PTFE-Al materials with high densities, good mechanical properties, high reaction energy and controllable sensitivity of explosive.

金属/氟聚合物是一种新型“含能结构材料”，通常情况下呈现惰性，仅在高速撞击条件下，会发生爆炸并释放出大量的化学能，被国际上称为“撞击反应材料”，是一种重要的结构功能一体化新型战斗部材料，未来在国防领域有广阔的应用前景。本项目拟开发一种W-PTFE-Al系新型撞击反应材料，该材料具有更高的密度和优异的力学性能，其反应能量可达到TNT的6倍。目前，对于该类材料反应机理以及材料力学性能、钝感特性和能量等关键性能的影响因素研究欠缺，制约了材料的设计与研发。本项目旨在揭示W-PTFE-Al材料的冲击反应机理与反应的动力学条件，阐明成分、相尺寸与分布特征以及相界面特征对材料能量、钝感和力学性能的影响规律，在此基础上设计2-3种W-PTFE-Al材料，并实现材料的钝感可控制备与表征，为制备出兼具高密度、良好力学性能、高能量和钝感可控的新型撞击反应材料奠定理论和实验基础。

聚合物-金属撞击反应材料是一种以氟聚物为基体的新型复合含能材料，因其具有良好的力学性能、钝感特性和高速冲击条件下剧烈的能量释放特性，近年来逐渐升级为一类重要的国防材料，是当前高效毁伤领域最为活跃的研究方向之一。本项目以W-PTFE-Al新型撞击反应材料力学性能、能量和钝感的协同优化为目标，重点开展了W-PTFE-Al撞击反应材料的制备工艺、力学性能、反应动力学条件、反应机理、钝感特性的定量表征方法及影响因素等方面的研究，取得的主要成果如下：1）优化出W-PTFE-Al系新型撞击反应材料粉末冶金制备工艺，成功制备出组织均匀、结构致密的W-PTFE-Al系撞击反应材料；2）建立了以材料反应前单位体积吸收功为评价标准的钝感特性表征方法，揭示了W-PTFE-Al撞击反应材料的反应机理及反应动力学条件；3）揭示出成分比例、相尺寸、相分布、界面特性和添加剂对材料力学性能、反应能量、反应特性及钝感特性的影响规律，并以此为基础制备出了准静态抗压强度高于50MPa、动态抗压强度高于100MPa，氧气气氛下反应能量高于9kJ/g，冲击释能时间超过3ms的双活性金属W-PTFE-Al系撞击反应材料；4）建立了以反应瞬间体积膨胀率为评价标准的撞击反应材料气体释放能力的表征方法，揭示了典型W-PTFE-Al撞击反应材料的体积膨胀特性；5）验证了撞击反应材料作为穿爆燃弹填充弹芯时具有的穿甲、纵火和破片杀伤等复合毁伤效果；6）完成技术成果转化两项，转让入门费共计451万元；通过技术转让，实现了撞击反应材料在空军某型号高效毁伤弹药、海军某型号末端反导弹药和某型号导弹低压区高效毁伤破片的工程应用与批量生产。.项目研究实现了致密度超过98%、钝感可控、密度可控、力学性能良好、反应能量超过9kJ/g及体积膨胀率超过2500倍撞击反应材料的可控制备，并通过靶场测试明确了撞击反应材料的工程应用价值；研究内容加深了对W-PTFE-Al系新型撞击反应材料反应机理及动力学条件等基础问题的理解，研究方法系统地提供了撞击反应材料性能的调控策略及方法，对高性能撞击反应材料的设计、制备及应用具有指导意义。