基于J积分法的Al-PTFE断裂韧性测试及断裂反应机理研究

Al-PTFE is widely used as basic constituents of the emerging Reactive Materials (RMs). It is an important direction of the burgeoning development of energetic composites. The fracture-induced reaction of Al-PTFE could threaten its safety of production and application, whereas the reaction mechanism is still unclear. To describe the fracture-induced reaction of Al-PTFE quantitively, the tensile fracture test of Al-PTFE would be carried out based on J-Integral method. By the combining application of high-speed-camera, Digital Image Correlation (DIC) and infrared thermometer, the correlation of the reaction phenomenon, the stress-strain field and the temperature field at the fracture tip would be explored synchronously. Furthermore, by the research on the microstructure of the fractured surfaces of Al-PTFE, the location and energy threshold of fracture-induced reaction could be confirmed, which could provide a quantitive description of the reaction mechanism. Finally, the condition boundary of the fracture-induced reaction could be established by the research of the effect of manufacturing, ambient temperature and loading rate. This project is expected to achieve innovate results in the aspect of fracture-induced reaction mechanism, which could improve the safety and application of fluoropolymer RMs.

Al-PTFE是近年来新兴的反应材料中被广泛采用的基本组分，是含能复合材料发展的重要新方向。但是，最新发现的Al-PTFE断裂反应现象严重制约了氟聚物基反应材料的生产使用安全性，而这种断裂反应的发生条件及反应机理尚不明确。为解决Al-PTFE断裂反应机理的定量描述问题，本项目拟基于J积分法，对Al-PTFE开展拉伸断裂测试，并通过联用数字图像相关技术（DIC）、红外测温技术及高速摄影，对裂纹尖端应力应变场、温度场变化及活化反应现象开展同步关联研究；随后，针对裂纹尖端热点形成机制问题，开展试件断裂面的微观形貌研究，在微观尺度确定断裂反应发生位置及能量阈值；最后，为确定Al-PTFE断裂反应的条件边界，开展制备工艺、环境温度、加载速率的影响性研究。本项目有望在断裂反应机理模型构建方面取得创新性成果，推动氟聚物基反应材料的安全化及实用化。

Al-PTFE是一种金属-氟聚物复合材料，其在撞击条件下会发生剧烈的类爆燃\爆轰反应，在军事及民用领域均有广阔的应用前景。以往研究发现，Al-PTFE的撞击反应引发与其裂纹拓展息息相关，但国内外对于Al-PTFE断裂性能的研究非常稀少，更缺乏不同外部影响因素对拉伸断裂性能的对比分析研究，因此其断裂引发反应的发生条件及反应机理尚不明确。为探究Al-PTFE断裂反应机理，本项目基于J积分法，对Al-PTFE开展拉伸断裂测试，并通过联用数字图像相关技术（DIC），对裂纹尖端应力应变场开展同步关联研究；随后，通过试件断裂面的微观形貌研究，结合数值仿真，确定了断裂反应发生位置及能量阈值，提出了定量表征裂纹尖端温升的反应机理模型；最后通过制备工艺、环境温度、加载速率的影响性研究，确定了断裂反应发生的临界条件为中低应变率条件下的无约束形变模式、作用过程中试样出现延性-脆性转变的裂纹不稳定扩展、裂纹不稳定扩展瞬间材料呈现较高的断裂韧性三者共同作用。本项目测试结果证明使用DIC方法计算韧性聚合物复合材料裂纹尖端断裂韧性的方法是可行的，且相较传统J积分方法实施更加简便，数据处理高效，尤其适用于必须使用J积分方法计算断裂韧性的高塑性、大变形材料。对比性研究得到的反应机理模型及临界反应条件对Al-PTFE基反应材料的设计、生产、勤务处理及实用化具有重要意义。