CN109082549B - 一种易反应铝/钨活性材料的制备方法 - Google Patents

一种易反应铝/钨活性材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，属于含能材料领域。该方法依次包括如下步骤：原料粉配制、混粉干燥、模压成型、烧结成型。该方法可以采用常规的铝、钨粉末作为原料，易于采购，成本低廉。本发明的制备工艺操作简单，成本低，适宜批量生产。采用该方法得到的铝/钨活性材料相较于传统铝/钨合金材料具有其不具备的反应活性。当W质量分数为64％的Al/W活性材料以758m/s撞击钢靶时产生燃烧反应，其在接触靶板后16.7ms时刻的反应温度为1998℃。

Description

一种易反应铝/钨活性材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，属于活性材料领域。
背景技术
活性材料是一类异于***、推进剂、烟火剂等传统含能材料的新型高效毁伤含能材料。该材料在一般情况下保持钝感，而在高速冲击载荷的作用下会迅速产生燃烧或***效应并放出大量热。另一方面，活性材料具有良好的机械强度、硬度和质量密度特性，能够在高速撞击下对目标产生动能侵彻作用，达到动能和化学能的双重毁伤效果。由活性材料制成的战斗部不仅可以对目标造成贯穿作用，其释放的热能还可以大幅增强侵彻效果且产生燃烧、类爆轰、内爆等显著的后效作用，从而提高了战斗部的击毁能力。结合活性材料的以上特点及现代战争的需求，该材料被广泛地应用于破片和药型罩的生产和加工上。在民用领域，活性材料也可应用于石油开采、金属切割、焊接、推进剂添加剂等方面。
现有活性材料主要有铝热剂、金属/聚合物、亚稳态分子复合材料及金属间化合物等。关于活性材料的研究及应用主要集中在金属/聚合物方向，如铝/钨/聚四氟乙烯(公开号CN105348704B)、("Experimental study of the compression properties of Al/W/PTFE granual composities under elevanted strain rates",X.F.Zhang等,MaterialsScience&Engineering A,第581卷，第48-55页)、("The mechanical behaviors ofpolytetrafluoroethylene/Al/W energetic composites",Xu,Songlin等，Journal ofPhysics-condensed Matter,第21卷第28期，文献号285401)。但是由于铝/钨/聚四氟乙烯材料的强度低，密度小，反应延迟时间长，其难以作为弹体材料对装甲目标进行有效侵彻毁伤，已不能满足当今毁伤元的设计需求。基于强度高、密度大，熔点高和反应热量高等特点，合金类活性材料逐渐引起了研究者们的广泛关注。铝/钨活性材料是一种新型合金类活性材料，该材料具有可观的强度和密度且可以在冲击载荷下发生剧烈的化学反应。
但是迄今为止，关于铝/钨合金的报道多是采用机械合金化、热压烧结和热等静压烧结等制备方法，所制备材料具有极低的孔隙率，难以在冲击载荷下表现出反应活性。比如公开号CN1524972A和CN103773983A的专利申请，分别采用热压烧结和热等静压烧结方法制备材料，其相对密度分别高达95-99.8％。本专利提供了一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，拓宽了铝/钨合金材料在高效毁伤领域的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，该方法采用冷压烧结工艺，而且制备工艺简单、适宜批量生产，所制备的活性材料具有侵彻应用所需的强度和密度且可以在冲击载荷下发生剧烈反应，放出大量热。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将铝粉和钨粉浸没于无水乙醇中，混合均匀，得到固液混合物；其中，钨的质量分数为铝粉和钨粉总质量的64％-91％；
步骤二、将步骤一所得的固液混合物在氩气气氛下充分干燥，得到混合粉末；
步骤三、将步骤二所得的混合粉末置于模具中，采用材料试验机对混合粉末进行冷压加载以得到预压成型试件；对预压成型试件进行烧结，得到铝/钨活性材料试件。
步骤三所述压缩加载的压强为250MPa，增压速率为1KN/s。
步骤三所述烧结时的烧结温度为500℃，烧结时间为1h，胚体自由放置。
有益效果
1、所制备的铝/钨活性材料可以在冲击载荷下体现出强烈的反应活性，当撞击速度足够高时，其反应温度可达1000℃以上。
2、所制备的合金类铝/钨活性材料较金属聚/合物类铝/钨/聚四氟乙烯活性材料具有更高的强度和密度，其中材料动态强度极限的提升幅度在100％以上，可以满足其作为弹体材料在侵彻应用中的需求。
3、一种铝/钨活性材料的制备方法，采用常规的铝、钨粉末作为原料，易于采购，成本低廉；且制备工艺操作简单，成本低，适宜批量生产。
4、本发明通过无水乙醇和氩气隔绝空气，抑制了活性粉末在制备过程中的氧化作用，保证了材料的反应活性。
5、“热点”理论被广泛应用于解释含能材料在冲击作用下的点火反应机理，大量研究显示“热点”的形成机制主要有：孔穴的绝热压缩、绝热剪切带、位错塞积以及裂纹面的摩擦等。材料内部缺陷的存在可以促进“热点”形成，进而引发材料反应。现有关于铝/钨合金的研究多是采用热压烧结或热等静压烧结方法，其所制备的铝/钨合金具有极高的致密度，因而难以在冲击载荷下体现出反应活性。本专利所制备铝/钨活性材料内部广泛分布着大量缺陷(如孔洞，裂纹等)，不同元素颗粒堆叠效果显著，且颗粒间界面分明，材料在冲击载荷下极易形成热点进而引发材料反应。
附图说明
图1是W质量分数为64％的铝/钨活性材料在758m/s下的反应图像；其中，a-e依次为材料在接触靶板后0μs、10μs、150μs、2760μs以及11300μs时刻的实验图像；
图2是W质量分数为91％的铝/钨活性材料在扫描电镜下的微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步解释。
实施例1
一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，具体步骤如下：
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的钨粉64g，粒度为10μm的铝粉36g。(铝/钨活性材料的质量比为：W64％，Al36％。)
2)混粉干燥步骤：将步骤一的粉末浸没于无水乙醇后经高效混粉机充分混合4h。将固液混合物置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为55℃，气氛为氩气。
3)冷压成型步骤：将上述经干燥后的的混合粉体置于直径为60mm的钢制圆柱模具中，用材料试验机机进行压缩，设置成型压强为250MPa，压力增速为1KN/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以1KN/s的速率缓慢卸载，脱模。
4)烧结成型步骤：采用烧结炉对上述经压制试件进行烧结，烧结之前将炉膛抽真空后通入氩气，控制炉膛气压为0.2MPa。设置烧结温度为500℃，烧结时间1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，胚体自由放置。
本实施例制备的铝/钨活性材料的密度为4950kg/m-3，致密度为82％，材料在应变率1900/s下强度极限为280MPa，屈服强度为169MPa，破坏应变为0.28。当材料分别以758m/s，535m/s和414m/s撞击钢靶时产生燃烧反应，其在接触靶板后16.7ms时刻的反应温度分别为1998℃,318℃和215℃，其中758m/s下的反应图像如图1所示。
实施例2
一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，具体步骤如下：
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的钨粉83g，粒度为10μm的铝粉17g。(铝/钨活性材料的质量比为：W83％，Al17％。)
2)混粉干燥步骤：将上述粉末浸没于无水乙醇后经高效混粉机充分混合4h。将固液混合物置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为55℃，气氛为氩气。
3)冷压成型步骤：将上述经干燥后的的混合粉体置于直径为60mm的钢制圆柱模具中，用材料试验机机进行压缩，设置成型压强为250MPa，压力增速为1KN/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以1KN/s的速率缓慢卸载，脱模。
4)烧结成型步骤：采用烧结炉对上述经压制试件进行烧结，烧结之前将炉膛抽真空后通入氩气，控制炉膛气压为0.2MPa。设置烧结温度为500℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，胚体自由放置。
本实施例制备的铝/钨活性材料的密度为6860kg/m-3,致密度为74％，材料在应变率1900/s下强度极限为178MPa，屈服强度为168MPa，破坏应变为0.04。当材料以414m/s撞击钢靶时产生燃烧反应，其在接触靶板后16.7ms时刻的反应温度为426℃。
实施例3
一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，具体步骤如下：
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的钨粉91g，粒度为10μm的铝粉9g。(铝/钨活性材料的质量为：W91％，Al9％。)
2)混粉干燥步骤：将上述粉末浸没于无水乙醇后经高效混粉机充分混合4h。将固液混合物置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为55℃，气氛为氩气。
3)冷压成型步骤：将上述经干燥后的的混合粉体置于直径为60mm的钢制圆柱模具中，用材料试验机机进行压缩，设置成型压强为250MPa，压力增速为1KN/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以1KN/s的速率缓慢卸载，脱模。
4)烧结成型步骤：采用烧结炉对上述经压制试件进行烧结，烧结之前将炉膛抽真空后通入氩气，控制炉膛气压为0.2MPa。设置烧结温度为500℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，胚体自由放置。
本实施例制备的铝/钨活性材料的密度为8370kg/m-3,致密度为65％，材料在应变率1900/s下强度极限为174MPa，屈服强度为165MPa，破坏应变为0.03。当材料以350m/s撞击钢靶时产生燃烧反应，其在接触靶板后16.7ms时刻的反应温度为190℃。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将铝粉和钨粉浸没于无水乙醇中，混合均匀，得到固液混合物；其中，钨的质量分数为铝粉和钨粉总质量的64％-91％；
步骤二、将步骤一所得的固液混合物在氩气气氛下充分干燥，得到混合粉末；
步骤三、将步骤二所得的混合粉末置于模具中，采用材料试验机对混合粉末进行冷压加载以得到预压成型试件；对预压成型试件进行烧结，得到铝/钨活性材料试件；
步骤三所述压缩加载的压强为250MPa，增压速率为1kN/s。
2.如权利要求1所述的一种易反应铝/钨活性材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述烧结时的烧结温度为500℃，烧结时间为1h。
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