冲击载荷下Al/PTFE基含能材料的力学响应与反应释能机制优化研究

【编辑推荐】针对传统金属/氟聚合物含能材料（Al/PTFE）反应速率低、起爆条件严苛等问题，研究人员通过引入强氧化剂KMnO4与还原剂TiH2，开发出四组分Al/PTFE/TiH2/KMnO4复合材料。采用霍普金森压杆（SHPB）和泰勒冲击实验发现，当KMnO4含量达40wt%时，材料动态抗压强度提升40.62%至129.12 MPa（应变率3000s-1），并显著提高敏感性和能量密度。该研究为新型高敏高能结构材料设计提供重要参考。

　　

在军事与航天领域，传统低速武器使用的钢/钨毁伤元件依赖单一动能破坏机制，终端效应受限。而经典Al/PTFE（铝/聚四氟乙烯）含能材料虽具有8.53 MJ/kg的单位能量释放能力，却面临反应速率低、需极端条件触发等瓶颈。如何通过材料改性实现“强度-敏感性-能量释放”协同提升，成为当前研究的关键挑战。

西安理工大学团队在《Materials Chemistry and Physics》发表的研究中，创新性地将强氧化剂高锰酸钾（KMnO₄）与储氢材料钛氢化物（TiH₂）引入Al/PTFE体系，通过机械冷压法制备四组分复合材料。研究采用霍普金森压杆（SHPB）动态测试、泰勒冲击敏感性实验（TIR）、同步热分析（TG-DSC）等技术，系统揭示了组分调控对材料性能的影响规律。

力学响应特性
准静态实验显示，KMnO₄的加入使材料呈现显著应变率效应。当KMnO₄含量达40wt%时，动态抗压强度较传统Al/PTFE提升40.62%，这归因于PTFE纳米纤维链桥对微裂纹扩展的阻碍作用。但过量添加（>40wt%）会破坏基体连续性导致强度下降。

冲击点火过程
泰勒冲击实验结合高速摄像发现，含KMnO₄样品在撞击时产生剧烈燃烧现象，反应持续时间延长至传统材料的3倍。TiH₂分解释放的氢与KMnO₄产生的游离氧形成气态反应介质，显著提升能量释放效率。

热力学机制
TG-DSC分析表明，KMnO₄/TiH₂的引入使材料放热峰前移，反应活化能降低32.7%。氧弹量热测试证实复合材料的体积能量密度提升至传统体系的1.8倍，归因于TiH₂分解吸热（-225.7 kJ/mol）与后续氧化放热的协同效应。

该研究首次阐明KMnO₄-TiH₂在Al/PTFE体系中的多级反应机制：TiH₂分解释氢降低反应能垒，KMnO₄分解提供活性氧促进铝粉氧化，而PTFE纤维网络则维持结构完整性。这种“力学-化学”耦合设计策略，为开发兼具高强度和可控释能特性的新一代含能材料提供了新思路，在智能毁伤弹药和特种航天推进剂领域具有重要应用前景。