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由非爆炸性固体物质复合而成的反应材料,具有结构性和含能性双重特性,而且其释能行为与载荷条件密切相关。在军事应用方面,基于反应材料的高效毁伤技术极大地促进了先进弹药技术的发展,同时反应材料也为物理、化学、力学、材料学等多学科的交叉提供了合适的载体。近十年来,一系列不同类型的反应材料配方和制备工艺相继出现,针对其特殊性能的测试表征技术和理论分析方法也得到了发展。目前,对反应材料撞击引发释能特性的研究是爆炸力学、冲击波固体化学、弹药学等领域的研究者所共同关注的热点,其中值得进一步研究的科学问题主要有:1)反应材料释能特性的理论分析和数值模拟方法;2)反应材料物理-化学-力学性能表征;3)反应材料撞击释能效应新的应用探索;4)反应材料的理论设计方法;5)反应材料实验测试技术,等等。针对这些问题,本文选择了一类由聚合物基体和金属填料等组成的聚合物基反应材料为研究对象,以反应材料在武器弹药中的三种应用方式为背景,对反应材料构件在不同条件下的撞击释能效应开展研究。 本文主要研究内容包括两个方面: 1)在聚合物基反应材料设计方面,将与撞击速度相关的释能效率因子引入材料的设计模型,提出面向撞击条件的反应材料动态耦合设计方法,获得了典型的PTFE/Al/W反应材料配方。 2)在反应材料撞击引发释能特性方面,根据面向多层结构毁伤的反应材料侵彻体、面向空间目标毁伤的反应材料弹丸、面向侵彻战斗部缓冲结构应用的反应材料含能垫层等三种应用背景及载荷条件,对反应材料在多次撞击下的释能效应、在模拟真空条件下的释能效应和在壳体约束条件下的释能效应进行了研究。 本文得到的主要结论有: 1)在一定撞击条件下,存在化学能和动能均衡型的反应材料配方,如PTFE/Al/W反应材料在2km/s速度下的均衡配方为PTFE/Al/W=22/8/70。 2)反应材料侵彻体在高速侵彻多层间隔靶过程中,由多次撞击引发持续的点火和释能效应;反应材料对多层间隔靶的毁伤效应逐层增强,最大穿孔尺寸达到的侵彻体初始直径的16倍,穿孔面积达200倍以上;在1~3km/s速度范围内,撞击速度越高,释能效应越强;在2km/s撞击速度下,动能主导型PTFE/Al/W反应材料的综合毁伤效应优于化学能主导型PTFE/Al/W反应材料。 3)反应材料弹丸撞击模拟真空靶箱可造成动能和化学能双重毁伤;靶箱内部结构毁伤大于表面毁伤,最大穿孔直径接近弹丸初始直径的10倍;反应材料释能特性引起的内压效应造成靶箱的整体膨胀变形和远距离位移。 4)将反应材料垫层用于侵彻战斗部,既具有应力波衰减功能,又可增强战斗部装药的爆炸威力;PTFE/Al和PTFE/W垫层在940m/s速度间接撞击钢靶过程中产生释能现象;带钢壳约束的PTFE/Al垫层在爆炸载荷直接作用下具有显著的释能效应,增大了装药的爆炸威力。 本文创新点主要有: 1)提出反应材料释能效率因子、动能/化学能平衡等概念,建立了面向撞击条件的反应材料动态耦合设计方法; 2)通过原理性实验观察到反应材料侵彻体撞击多层间隔靶的逐层穿孔增强效应,提出了反应材料侵彻体在多次撞击下的“点火-熄灭-再点火”作用模式。 3)建立了模拟真空靶箱地面毁伤实验方法,初步建立了反应材料作用下密闭靶箱的内部压力分析模型,并通过实验验证。