简介概要

Ni-Al含能结构材料冲击释能行为研究

来源期刊：稀有金属2017年第1期

论文作者：张度宝汪涛鱼银虎潘剑锋王卫

文章页码：40 - 44

关键词：Ni-Al;含能结构材料;力学性能;能量密度;冲击引发;能量释放行为;

摘要：以Ni粉和Al粉（摩尔比1∶1）为原料,采用冷压-烧结法制备了Ni-Al含能结构材料（ESM）。利用X射线衍射仪（XRD）、万能试验机和差示扫描量热仪（DSC）研究了烧结温度对Ni-Al含能结构材料力学性能和能量密度等的影响;并通过Φ14.5 mm弹道枪发射装置、准密闭冲击反应系统和高速摄像系统研究了其在不同冲击引发速度下的能量释放行为。结果表明:烧结温度从510℃上升至550℃时,含能结构材料强度提高,但其能量密度降低;烧结温度为550℃时,可获得强度和能量密度俱佳的Ni-Al含能结构材料,其拉伸和压缩强度分别为66.0和294.6 MPa,能量密度为436.1 J·g^-1。Ni-Al含能结构材料在高速冲击碰撞作用下能够发生剧烈化学反应并伴随大量的能量释放,且随着冲击引发速度的提高,能量输出率增大,反应剧烈程度增加。其冲击引发速度阈值为974 m·s^-1。

网络首发时间: 2016-06-30 13:25

稀有金属 2017,41(01),40-44 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15071701

Ni-Al含能结构材料冲击释能行为研究

张度宝汪涛鱼银虎潘剑锋王卫

南京航空航天大学材料科学与技术学院

摘要：

以Ni粉和Al粉(摩尔比1∶1)为原料,采用冷压-烧结法制备了Ni-Al含能结构材料(ESM)。利用X射线衍射仪(XRD)、万能试验机和差示扫描量热仪(DSC)研究了烧结温度对Ni-Al含能结构材料力学性能和能量密度等的影响;并通过Φ14.5 mm弹道枪发射装置、准密闭冲击反应系统和高速摄像系统研究了其在不同冲击引发速度下的能量释放行为。结果表明:烧结温度从510℃上升至550℃时,含能结构材料强度提高,但其能量密度降低;烧结温度为550℃时,可获得强度和能量密度俱佳的Ni-Al含能结构材料,其拉伸和压缩强度分别为66.0和294.6 MPa,能量密度为436.1 J·g~(-1)。Ni-Al含能结构材料在高速冲击碰撞作用下能够发生剧烈化学反应并伴随大量的能量释放,且随着冲击引发速度的提高,能量输出率增大,反应剧烈程度增加。其冲击引发速度阈值为974 m·s~(-1)。

关键词：

Ni-Al;含能结构材料;力学性能;能量密度;冲击引发;能量释放行为;

中图分类号： TQ560.1

作者简介：张度宝(1989-),男,山东济南人,硕士研究生,研究方向:金属含能材料;E-mail:zdb15105160690@163.com;;汪涛,教授;电话:13851478319;E-mail:taowang@nuaa.edu.cn;

收稿日期：2015-07-24

基金：中央高校基本科研业务费项目(NP2012303);江苏省教育厅江苏高校优势学科建设工程项目资助;

Impact Energy Release Behaviors of Ni-Al Energetic Structural Material

Zhang Dubao Wang Tao Yu Yinhu Pan Jianfeng Wang Wei

College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Abstract：

Ni-Al( molar ratio is 1∶ 1) energetic structural material( ESM) was prepared by cold-pressing and sintering with Ni and Al elemental powders. The effect of sintering temperature on the mechanical properties and energy density of Ni-Al energetic structural materials was investigated by X-ray diffraction( XRD),universal testing machine and differential scanning calorimeter( DSC). Meanwhile,the behaviors of impact energy release were investigated under different velocities by Φ14. 5 mm ballistic gun emitting device,semi-sealed impulse response systems and high-speed video system. The results demonstrated that the increasing sintering temperatures resulted in the decrease in energy density and the increase in mechanical properties of Ni-Al ESM during 510 to 550 ℃. The ESM with excellent combination of both energy density and mechanical properties could be obtained by sintering Ni-Al green body at 550 ℃,of which the tensile and compressive strengths were 66. 0 and 294. 6 MPa,respectively,and the energy density was 436. 1 J·g~(-1). The NiAl ESM could undergo a violent chemical reaction and release great amounts of thermochemical energy under strong impact loadings.The increasing impact velocity resulted in the increase in energy release efficiency and degree of reaction. The impact initiation threshold velocity of Ni-Al ESM was 974 m·s~(-1).

Keyword：

Ni-Al; energetic structural material; mechanical properties; energy density; impact initiated; energy release behaviors;

Received： 2015-07-24

Ni-Al含能结构材料(ESM)是指将Ni粉和Al粉以一定的工艺方法组合,形成具有一定强度、硬度和密度的结构材料,这类材料在高速冲击作用下可发生剧烈化学反应并伴随强烈的能量释放,被认为是防空反导战斗部构件的最佳材料 ^[1,2,3] 。20世纪90年代以来,Ni-Al含能结构材料因具有较高的反应热而受到国外学者的广泛关注。Eakins ^{[4,5,6,7,8,9]} 分别对微米级和纳米级Ni-Al混合物进行了冲击反应实验研究;Austin ^[10] 采用有限元优化模型对高应变率下的Ni-Al含能结构材料的形变行为进行了数值仿真;Homan ^[11] 和Church ^[12] 通过高速破片冲击试验研究了Ni-Al含能结构材料的冲击压缩行为;Tucker ^[13] 通过在Al基含能结构材料中添加W,Ni等金属粉末,研究了不同的金属粉末和压坯致密度对含能结构材料冲击反应温度的影响。国内学者对含能结构材料的研究起步较晚,且主要集中于金属/聚合物含能结构材料的研究 ^[14,15,16] ,对于Ni-Al含能结构材料的制备及冲击释能行为的研究则鲜少涉及。

本文采用冷压-烧结法制备了强度和能量密度俱佳的Ni-Al含能结构材料,并通过弹道枪试验研究了不同冲击引发速度下的Ni-Al含能结构材料的释能特性。

1 实验

1.1 样品制备

实验采用粒径为50~75μm的Al粉和Ni粉,按摩尔比1∶1均匀混合,通过液压机缓慢加压至400 MPa,保压2~3 min后获得素坯。将其放入真空管式炉中,以10℃·min^-1的升温速率分别升温至510,520,530,540和550℃,等温1 h后随炉冷却至室温,获得具有一定强度的Ni-Al含能结构材料烧结试样。

1.2 测试与表征

为了确定Ni-Al含能结构材料试样的制备工艺,试验采用X射线衍射(XRD)对Ni-Al含能结构材料烧结试样进行物相分析,扫描速率20(°)·min^-1;采用差示扫描量热法(DSC)对烧结试样进行能量密度分析,升温速率30℃·min^-1,升温终止温度800℃;采用SANS万能实验机对烧结试样进行拉伸和压缩强度测试,测试按照GJB772A-1997方法406.1进行,压缩试样为Φ10 mm×10 mm圆柱,压缩速度为1 mm·min^-1,拉伸试样有效拉伸长度为15mm,拉伸速度为5 mm·min^-1。并通过Φ14.5 mm弹道枪、多通道测时仪、PXI瞬态记录仪、高速摄像等研究Ni-Al含能结构材料在不同冲击引发速度下的能量释放特性。

图1 弹道枪试验装置示意图Fig.1 Schematic of ballistic experimental setup

2 结果与讨论

2.1 Ni-Al含能结构材料的制备与分析

弹道枪试验过程中弹丸的强度和能量密度对试验结果具有重要影响。为了选取强度和能量密度俱佳的弹丸,对不同温度等温1 h的烧结试样进行DSC测试,测试结果如图2所示。由图2可知,烧结温度为510~550℃时,烧结试样的DSC曲线在Al的熔点附近存在明显的放热峰,且随着试样烧结温度的提高元素扩散速率增加,Ni粉和Al粉颗粒间接触面积增大,反应剧烈程度增加,DSC曲线放热峰由平缓变得尖锐。同时,由于元素扩散及部分金属间化合物的形成引起能量密度的小幅度降低,如表1所示。结合XRD物相分析(图3),烧结温度为560℃时,试样生成大量金属间化合物Ni₂Al₃,导致Ni-Al含能结构材料能量损失严重DSC曲线放热峰消失。

为了进一步确定弹道枪实验的试样,对不同温度等温1 h的烧结试样进行力学性能测试,测试结果如表2所示。由表2可以看出随着烧结温度的升高,拉伸和压缩强度不断升高。根据文献[ [ 17, 18] [ 18] ]的理论,烧结温度由510℃上升至550℃时,Ni元素和Al元素的扩散加快,颗粒黏结面增大,颗粒间的联结强度提高。烧结温度为550℃时,拉伸强度(σ_t)和压缩强度(σ_c)达到最大值,分别为66.0和294.6 MPa,相同条件下测得纯铝的拉伸强度为57.0 MPa。

图2 Ni-Al含能结构材料DSC曲线Fig.2 DSC curves of Ni-Al energetic structural material

表1 不同烧结温度的Ni-Al含能结构材料的能量密度Table 1 Energy density of Ni-Al energetic structural ma-terial at different sintering temperatures 下载原图

Note:T-sintering temperature;T_P-peak temperature;E_d-energy density

表1 不同烧结温度的Ni-Al含能结构材料的能量密度Table 1 Energy density of Ni-Al energetic structural ma-terial at different sintering temperatures

图3 Ni-Al含能结构材料XRD分析图Fig.3 XRD patterns of Ni-Al energetic structural material

表2 Ni-Al含能结构材料力学性能Table 2Mechanical properties of Ni-Al energetic struc-tural material 下载原图

表2 Ni-Al含能结构材料力学性能Table 2Mechanical properties of Ni-Al energetic struc-tural material

综上所述,当烧结温度为540和550℃时,NiAl含能结构材料的力学性能和能量密度显著高于其他烧结温度下的试样性能,且在550℃下烧结的试样性能最优。

2.2 反应释能特性分析

采用直径10 mm,高10 mm,烧结温度为550℃的圆柱形试样作为弹道枪实验弹丸,通过调整药筒装药量改变弹丸的初速,利用高速摄像、准密闭冲击反应系统和瞬态力测试装置对Ni-Al含能结构材料在不同冲击速度下的反应行为进行实验研究,实验结果如表3和图4所示。表3中试样1~4为Ni-Al含能结构材料,45钢试样5为惰性材料,M为弹丸质量,V为弹丸撞击靶板的速度,P_p为超压-时程曲线峰值压力。图4为Ni-Al含能结构材料的超压-时程曲线及其所对应的靶筒内部的反应情况图片。由表3和图4可知,Ni-Al含能结构材料弹丸撞击靶板后在巨大的压力作用下发生剧烈化学反应并伴随着大量的能量释放,25~30 ms后压力-时程曲线达到超压峰值,且随着弹丸速度的提高超压峰值增大。当弹丸速度为1445 m·s^-1时,超压峰值达到最大值,0.23 MPa。与此不同的是,当试样4以1348 m·s^-1的速度撞击靶板后,靶筒内无明显反应现象,超压几乎为零。

表3 Ni-Al含能结构材料反应释能行为实验结果Table 3 Experimental result of characteristics of Ni-Al en-ergetic structural material 下载原图

表3 Ni-Al含能结构材料反应释能行为实验结果Table 3 Experimental result of characteristics of Ni-Al en-ergetic structural material

图4 Ni-Al含能结构材料超压-时程曲线及在内部反应情况Fig.4Pressure-time curves and impact initiated reaction of Ni-Al energetic structural material

(a)879 m·s^-1;(b)974 m·s^-1;(c)1099 m·s^-1;(d)1445 m·s^-1

由图4可知,Ni-Al含能结构材料弹丸以不同的冲击引发速度贯穿0.5 mm的薄铁皮撞击靶板后,在强碰撞载荷作用下产生强烈的爆燃效应,使靶筒内的温度和压力迅速上升。且随着弹丸冲击引发速度的提高,Ni-Al含能结构材料撞击靶板产生的火光直径增大,超压峰值提高,能量输出率提高,反应剧烈程度增加。冲击引发速度为879 m·s^-1时,如图4(a),弹丸撞击靶板压缩破碎,使部分Ni-Al含能结构材料发生化学反应,超压峰值为0.02 MPa,且回收到大量弹丸碎片;冲击引发速度为974m·s^-1时,如图4(b),弹丸撞击靶板发生不完全反应,25 ms后火光范围达到最大,此时超压到达峰值,0.09 MPa;冲击引发速度为1099 m·s^-1时,如图4(c),弹丸撞击靶板23 ms后靶筒内的温度和压力达到最大值,使得靶筒内火焰由薄铁皮弹孔处喷射而出,形成长达1.0 m的火舌;冲击引发速度为1445 m·s^-1时,如图4(d),弹丸撞击靶板在靶筒内部发生剧烈化学反应,火光范围充满整个视野,75 ms后仍可清晰的看到剧烈燃烧的火焰由薄铁皮弹孔处喷射而出。

由以上分析可知,冲击引发速度为879 m·s^-1时,超压几乎为零,只有部分Ni-Al含能结构材料发生反应;冲击引发速度为974 m·s^-1时,Ni-Al含能结构材料发生剧烈化学反应,并且随着弹丸速度的提高,能量输出率增大,反应剧烈程度增加。因此确定Ni-Al含能结构材料的冲击反应阈值为974 m·s^-1。