引 言

反应材料又称“冲击引发反应材料”(Impact-initiated Reactive Material)，通常由金属或金属与非金属混合物粉末材料按一定工艺方法压缩、烧结而制成的亚稳态复合含能材料，最早由Hugh E[1]在专利中提出由铝热剂或金属与金属氧化物组成的反应破片。此类材料具有一定的强度和硬度，在静态加载下，足够钝感不发生反应，然而在冲击加载下，材料可以快速发生化学反应释放能量。

反应材料制成的反应破片在冲击引发油箱和引爆屏蔽装药方面的性能都高于普通的惰性金属破片[2-4]，同时，反应材料的热值较高，单位质量反应材料的能量约为TNT炸药的3.5倍[5]，因此，由反应破片作为终点毁伤元来提高毁伤效能具有较大的应用前景。

反应材料在加载及与目标作用过程中是一个复杂的高应变率动载过程，研究反应材料在加载过程及与目标作用过程的反应特性对于改进提高反应材料性能具有重要的意义。目前，国内外关于反应材料在外界加载下的反应性能研究主要分为分离式霍普金森杆(SHPB)和落锤加载[6-10]，分离式霍普金森压杆(SHPB)是研究材料在中高应变率(102～104s-1)下力学性能的主要技术手段[11-12]，而落锤主要是研究材料在低应变率长脉冲加载的主要技术手段。反应材料与目标作用过程的反应特性研究主要分为材料与目标作用过程中的冲击释能特性和对目标的毁伤效能[13-17]。

关于反应材料在落锤中低应变率加载下的研究，主要集中在材料是否发生反应及发生反应的特性落高，而关于其加载过程中力学性能变化及发生反应吸收的能量研究较少。本研究使用落锤加载反应材料，研究材料在加载过程中的力学性能变化和加载过程中的反应特性，分析材料发生反应的阈值，得到材料发生反应的能量吸收，并通过数值模拟计算分析材料在加载过程中的力学性能变化。

1实 验

1.1材料及仪器

反应材料的主要成分是聚四氟乙烯/铝/钨(PTFE/Al/W),其中质量分数分别为：聚四氟乙烯28%，铝10%,钨62%。试样尺寸为Φ8mm×3mm，密度为4.79g/cm3。实验使用落锤质量为10kg。

KD6009动态应变仪，国防科技大学自研设备； Tektronic DPO4054 数字示波器，美国泰克公司，采样率为10M/s；50Ω锰铜应力传感器，北京理工大学。

1.2实验原理

本研究采用的落锤加载实验装置如图1所示。实验原理是通过改变落锤的落高来改变落锤的撞击速度，实现不同加载强度；试样放在落锤的正下方，通过放置在试样下面的锰铜应力传感器测试加载过程中的应力变化；高速相机用来记录加载过程中试样发生的变化和反应过程，同时拍摄落锤上的图标移动过程，通过数字图像相关处理(DIC, Digital Image Correlation)得到加载前后落锤速度的变化。

1.3力学性能测试

为了测试加载过程中试样底端应力—时间变化曲线，将锰铜应力传感器安装在试样下端，如图1(b)所示，锰铜应力传感器使用惠斯通电桥进行测量，得到锰铜应力传感器电阻ΔR/R的变化，锰铜应力传感器应力与阻值变化的标定公式如下：

图1落锤加载实验装置Fig.1 Experiment equipment of drop-weight loading

2结果与讨论

2.1落锤加载力学性能分析

实验通过改变落锤高度得到不同的加载速度，分别对材料进行了0.60～1.50m落高下7次独立的加载试验，通过DIC处理得到了材料在不同落高下的撞击速度和反弹速度，直接加载试样的试验结果见表1。

表1落锤加载试样的试验结果Table 1 The experimental results of drop-weight loading /mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1) 注:h为落锤下落高度;v1为落锤撞击速度;v2为落锤反弹速度。

由表1可知，随着落锤下落的高度降低，撞击速度相应减小，同样反弹速度也会减小。同时，由不同试验的材料是否发生反应可以得到材料发生反应的临界落高，在直接加载后，材料在落高0.95m未发生反应，在1.00m高度时发生了反应，通过高速摄影拍摄看到有火光产生，还可以听到有爆炸声响，所以可以判断材料发生反应的临界落高约为0.98m(反应和未反应落高的平均值)。

将锰铜应力传感器放在试样底端测试加载过程中试样底端的应力(σ)变化过程，得到试样在不同下落高度下的应力—时间曲线如图2所示。

图2落锤加载材料应力—时间曲线Fig.2 Stress—time curves of drop-weight loading material

从图2可以看出，随着落锤下落高度的增加，应力随时间变化越快，下落高度较低时，材料应力随时间缓慢增加。当应力达到一定值时，由于放置在试样底端的锰铜应力传感器在加载时与试样底面接触存在着剪切作用而使锰铜应力传感器破坏。在落锤系统的加载下，都处于毫秒时间量级。