Al/Ni多层膜中反应波传播速度的理论研究

为了研究Al/Ni反应多层膜在微纳米点火器件中的应用,采用扩展Mann模型,计算了反应多层膜中反应波的传播速度.定义单层厚度比为δ(2b-1)δ,将现有模型扩展至可计算任意多层膜中反应波的传播速度;计算了Al/Ni多层膜中反应波的传播速度,与试验结果吻合较好,验证了扩展模型.计算结果表明存在一个临界厚度δcr.当对层厚度δbi＜δcr时,速度与δbi成正比;当δbi＞δcr时,速度与δbi成反比.     

调制周期对Al/MoO3反应薄膜热性能和发火性能的影响

为了考察调制周期对反应薄膜性能的影响,采用磁控溅射技术制备了厚度为3μm,调制周期为50,150 nm和300 nm的Al/MoO3反应薄膜,采用差示扫描量热仪(DSC)探索了调制周期对Al/MoO3反应薄膜放热过程和反应活化能的影响;使用高速摄影和激光点火技术研究了三种调制周期反应薄膜的燃烧速率,通过与半导体桥和桥丝融合形成含能点火器件,考察了调制周期对电流和电压发火感度的影响。结果显示调制周期由50 nm增加到300 nm时,Al/MoO3反应薄膜燃烧速率由5.35 m·s^-1降低到1.75 m·s^-1。三种调制周期(50,150,300 nm)Al/MoO3反应薄膜半导体桥点火器件的50%电流发火电流分别为1.44,1.74 A和1.87 A;Al/MoO3反应薄膜桥丝点火器件的50%发火电流分别为0.08,0.65 A和1.02 A;将Al/MoO3反应薄膜与半导体桥和桥丝换能元结合形成点火器件,在点火间隙为1 mm的情况下,能够点燃钝感点火药硼-硝酸钾(B-KNO3)药片,提升点火系统的点火能力和可靠性。     

Al/CuO二维多层薄膜点火药的制备与性能研究

采用磁控溅射技术,制备了具有不同调制周期(150nm,300nm,600nm,1 200nm)的Al/CuO二维多层薄膜点火药,对不同调制周期的Al/CuO多层薄膜形貌、结构、热行为进行分析,测试了Al/CuO多层薄膜在不同电压下的电爆特性;此外,使用激光点火和高速摄影技术,研究了调制周期对Al/CuO多层薄膜燃烧速率的影响。研究结果表明,4种Al/CuO复合薄膜仅有调制周期为300nm和600nm的复合桥膜发火,而且能够有效点燃B-KNO3药片。     

Al/Ti反应多层膜中反应区传播速度的理论计算

Al/Ti反应多层膜中反应区的传播速度是表征其特性的特征参数之一.通过定义初始单层厚度比为δ:(2b-1)δ,将Mann模型扩展为可计算任意厚度比的多层膜中反应区的传播速度.采用扩展模型计算了1A1/1Ti和3A1/1Ti反应多层膜中反应区的传播速度,计算结果与文献中的实验结果吻合.此外,讨论了预混厚度对反应传播速度的影响,得到了预混厚度与临界厚度的关系式.     

多层膜自持反应的数值模拟

采用有限差分法对Al/Ni多层膜的自持反应历程进行了数值模拟,研究了多层膜反应时的反应温度、速度以及反应区形状与宽度。结果表明:Al单层厚度为10nm的Al/Ni多层膜建立自持反应的时间约为0.01ms,且此时间随Al单层厚度增大而增加。稳定传播之前的反应速度较快,反应区宽度较之稳定传播后窄;稳定传播后,反应区宽度不再变化;此外,反应区由于预混层的存在呈现U形,与试验结果吻合。     

复合推进剂铝粉燃烧反应动力学计算研究

对固体火箭发动机推进剂的比冲、燃烧效率等性能来说,现代社会已经提出了更高的要求。开展含铝推进剂燃烧机理研究,建立含铝推进剂燃烧模型具有重大现实意义,基于Al/O₂、Al/CO₂、Al/H₂O和Al/AP/HTPB/RDX推进剂的反应机理的详细反应机理,重点研究了密闭环境下反应过程中参与反应的物质组分变化,初步得到了Al/AP/HTPB/RDX推进剂燃烧模型,发现环境压力的提高有助于反应的进行,能提高反应进行的速率,并能提高反应达到平衡时的环境温度;发现环境初始温度的升高显著缩短了反应的延迟时间,但不利于放热总包反应的进行。     

Al/Ni类含能结构材料冲击压缩特性细观模拟

为了研究含能结构材料冲击响应特性,开展了以Al/Ni为代表的含能结构材料冲击压缩细观模拟研究。结合扫描电子显微镜照片分析了三种典型Al/Ni类含能结构材料的细观结构特性,研究了材料配比、制备工艺对材料细观结构的影响规律。从细观结构照片和细观颗粒初始形态入手,分别建立了Al/Ni类含能结构材料冲击压缩细观模型,计算并比较了该类材料在冲击压缩过程中的颗粒变形、压力响应、冲击温度分布及冲击波传播特性。结果表明：Al/Ni粉末复合材料的细观颗粒主要以Ni为基体,且Al颗粒随着其含量的上升而发生团聚;而Al/Ni多层复合材料主要以Al为基体,Ni近似于平行分布其中。Al/Ni类含能结构材料细观结构存在不均匀特性,导致其在冲击压缩过程中产生局部高压和热点,而这一特性无法由基于材料初始颗粒形态建立的均匀化细观模型得到。     

Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观机制

为阐明含能结构材料冲击反应机理,开展以Al/Ni粉末复合材料为代表的含能结构材料冲击反应细观模拟研究。基于Al/Ni粉末复合材料的扫描电镜照片建立细观有限元模型,并结合Mie-Grüneisen状态方程描述Al/Ni粉末复合材料冲击压缩行为。在此基础上,基于反应扩散模型建立考虑多组分固相反应的Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观模型,分析细观尺度上物质输运过程、冲击反应演化规律及冲击波传播特性。研究结果表明：Al/Ni粉末复合材料在冲击压缩速度(即粒子速度)为400 m/s时仅发生了微弱的化学反应,且化学反应程度随着冲击压缩速度的增大的加剧;化学反应最初发生于Al-Ni界面处,然后垂直于界面发展;冲击反应将引起材料冲击温度和压力的增高,同时对冲击波的传播起到强化作用。     

不同调制比的Al/MoO_3含能半导体桥电爆特性研究

调制比是薄膜制备中体现材料化学计量比的重要参数,直接影响含能复合薄膜的反应性能。为了研究Al/MoO_3含能复合薄膜在半导体桥上复合的最佳调制比,采用磁控溅射工艺分别制备了3种调制比的Al/MoO_3含能复合薄膜和Al/MoO_3含能半导体桥。研究了薄膜的形貌、热反应性能与Al/MoO_3含能半导体桥在不同充电电压下的电爆过程。结果表明适当调整调制比可以减小临界激发能量,缩短临界激发时间,提高含能半导体桥的燃烧时间。     

不同调制周期的Al/MoO3半导体桥发火器件电爆性能研究

采用磁控溅射技术制备总厚度为6μm,调制周期分别为134nm/166nm和22nm/28nm的Al/MoO_3复合薄膜,并将其与半导体桥(SCB)整合形成含能半导体桥(ESCB)发火器件,研究了Al/MoO_3含能薄膜及SCB-Al/MoO_3含能半导体桥的性能。DSC分析表明,调制周期为22nm/28nm的薄膜只有1个放热峰,其活化能为245k J/mol;调制周期为134nm/166nm的薄膜有3个放热峰,最大放热峰的活化能为200k J/mol。22nm/28nm的含能薄膜燃速为5.34m/s;134nm/166nm的含能薄膜燃速为1.79m/s。随着调制周期的增加,SCB-Al/MoO_3的临界发火时间变长,调制周期对临界发火能量、作用总时间、作用总能量无影响,SCB-Al/MoO_3(22nm/28nm)的电压发火感度高于SCB-Al/MoO_3(134nm/166nm)。     

烧结工艺对Ni/Al/W含能反应材料性能的影响

采用粉末冶金工艺制备Ni/Al/W含能反应材料,对比研究550℃烧结温度下烧结时间对Ni/Al/W含能反应材料密度、抗压强度以及显微组织的影响,并通过烧结样品DSC曲线计算得到不同烧结时间Ni/Al/W材料的反应放热量,分析烧结样品的反应放热特征。研究表明,烧结温度为550℃、烧结时间为1~3 h时,Ni/Al/W材料的密度先降低后升高,抗压强度先升高后降低,反应放热量不断减小;烧结时间为2 h时,Ni/Al/W含能反应材料具有相对较高的密度、强度和反应放热量,密度达到9.8 g/cm3,准静态压缩强度为1 150 MPa,反应放热量为121.2 J/g。     

三种反应材料药型罩对双靶板毁伤性能实验研究

为验证Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Fe_2O_3/PTFE 3种氟基反应材料的毁伤性能,通过模压烧结的方法制备了3种氟基反应药型罩,同时进行了破甲验证试验。结果显示:3种氟基反应药型罩均能在炸药驱动撞击下发生化学反应,并能有效贯穿第1层靶板,Al/Fe_2O_3/PTFE反应材料制备的药型罩撞击时对靶板的径向膨胀扩孔效应最明显,对第1层靶板的开孔直径达到16cm,但未能贯穿第2层靶板;Ni/PTFE反应材料制备的药型罩在贯穿第1层靶板后能有效贯穿第2层靶板,且对第2层靶板的开孔直径达到1.5cm;3种氟基反应药型罩对第1层靶板的开孔大小依次为Al/Fe_2O_3/PTFE(3~#)、Al/PTFE(1~#)、Ni/PTFE(2~#);对第2层靶板的开孔大小依次为Ni/PTFE(2~#)、Al/PTFE(1~#)、Al/Fe_2O_3/PTFE(3~#)。     

Al/Ni反应多层膜的电爆炸及驱动性能研究

为了研究Al/Ni反应多层膜在爆炸箔起爆系统上应用的可行性,采用磁控溅射法制备了相同厚度的Cu和Al/Ni多层膜桥箔,利用SU-8光刻胶制备一定厚度的加速膛,研究了两类桥箔在相同放电回路中的沉积能量和驱动飞片的平均速度。结果表明:在储能电容电压为1 306V的放电回路中,Al/Ni多层膜的沉积能量为0.120 5~0.127 4J,相比Cu箔提高了近1倍。在电压为1 900V时,多层膜沉积能量比Cu箔提升了18%~58%;多层膜驱动的飞片平均速度高于Cu箔驱动飞片约10%。因此,Al/Ni反应多层膜能降低爆炸箔起爆系统的起爆阈值,提高其冲击起爆的可靠性。     

钎焊温度对SiCp/Al复合材料焊接接头组织与性能的影响

采用真空钎焊方法研究钎焊温度对SiC_p/Al复合材料钎焊接头组织性能的影响。选用Al-Cu-Mg系钎料,添加一定量的Ni元素,通过分析钎料金相和测量断裂应变值选择最优钎料,比较不同钎焊温度下接头的金相组织,并对接头的剪切强度进行测试分析。结果表明:当Ni质量分数为3%时,钎料的断裂应变值最高、塑韧性最好,相应的甩带成型性能最好;当钎焊温度从560℃升高到600℃时,SiC_p/Al复合材料接头的剪切强度随温度的升高先增加后降低,在最佳钎焊温度为570℃、保温30 min时,接头剪切强度达到最大值,为40.49 MPa;当钎焊温度超过570℃时,随着钎焊温度的升高,钎料层中金属元素的合金反应加剧,生成的金属间化合物会残留在焊缝中并与周边增强相之间形成弱连接,降低接头强度。     

制备梯度结构来提高HMX/Al复合材料的燃烧和压力输出性能（英）

含铝炸药因其高能量密度和压力输出而被广泛应用。为了调控和提高含铝炸药的二次燃烧反应和压力输出,以竹子的微观结构为灵感设计了具有分级结构的HMX/Al径向梯度药柱,使用3D打印技术制备了不同铝含量和不同铝颗粒尺寸的HMX/Al径向梯度结构药柱,研究了Al含量和粒径分布对HMX/Al梯度结构燃烧性能和压力输出的影响。结果表明,当HMX/n-Al（160 nm）径向梯度结构按照从中心层向外层Al的质量分数分别为10%、20%和30%分布时,内层的燃烧反应和火焰传播速度比外层更快;其密闭空间内由于气体释放而获得的压力（2337.61 kPa）高于反向分布的梯度结构药柱。当HMX/Al径向梯度结构按照从中心层向外层Al粒径依次为10 μm-Al,5 μm-Al和n-Al分布时,梯度结构药柱的燃烧过程比较缓慢,可以看到单独铝颗粒的燃烧现象。当中间层为n-Al时,HMX/Al径向梯度结构具有最大的压力输出（1512.65 kPa）,高于均相的HMX/Al药柱;当中间层为10 μm-Al时,获得了具有双重峰的压力输出。     

Ti-48Al-2Cr-2Nb合金非晶钎焊接头组织和力学性能研究

用Cu41.83Ti30.21Zr19.76Ni8.19非晶钎料对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金进行真空钎焊连接,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射以及万能试验机研究接头的显微组织和力学性能。结果表明:在钎焊温度为880、940、970℃,保温时间为600 s下实现了TiAl合金连接,钎缝主要由Ti2Al、AlCuTi、(Ti,Zr)2(Cu,Ni)和α-Ti组成;在一定的保温时间下,增加钎焊温度会导致接头剪切强度先增大后减小;当钎焊温度为940℃、保温时间为600 s,接头的剪切强度达到最大值,为266 MPa。反应层厚度影响接头剪切强度,为更好地控制反应层厚度,建立界面反应层生长动力学方程。     

含不同形貌MoO3的Al/MoO3铝热剂的热性能和燃烧性能

不同形貌铝热剂在性能上有着很大的差异。为了探讨不同MoO₃形貌对Al/MoO₃铝热剂热性能和燃烧行为的影响,制备了Al/棒状MoO₃和Al/带状MoO₃铝热剂,采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)对其形貌和热性能进行了表征测试。DSC结果表明,Al/带状MoO₃铝热剂和Al/棒状MoO₃铝热剂释放的热量分别为1702 J·g^-1释放432 J·g^-1。Al/带状MoO₃铝热剂的初始反应温度为401.95℃,比Al/棒状MoO₃铝热剂的504.87℃提前102.92℃。通过非等温热力学分析,两种铝热剂的活化能(Ea)没有显著差异,但Al/棒状MoO₃铝热剂具有较高的热爆炸临界温度(Tb),说明其具有较高的安全性。在开放燃烧实验中,两种铝热剂的燃烧行为差异小,但当燃烧结束时,Al/带状MoO     

Al/Ni和Al/Ti纳米多层薄膜制备与表征

用磁控溅射法制备了Al/Ni、Al/Ti纳米多层薄膜。用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X-射线衍射仪(XRD)对其进行了结构表征和成分分析。用差示扫描量热法(DSC)测定了纳米多层薄膜的反应放热量。结果表明: 工作压力为0.4 Pa,Al、Ni、Ti溅射功率分别为200,220,180 W条件下制备的Al/Ni、Al/Ti多层薄膜表面均匀致密,无尖锐峰,层状结构分明,组成成分分别为Al、Ni和Al、Ti单质状态; Al/Ni、Al/Ti多层薄膜放热量分别为1134.64,918.36 J·g-1,达到理论值的82.2%, 80.7%。     

图形反转剥离工艺用于复合含能点火桥膜的制备

为了制备高点火能力的复合含能桥膜,对图形反转剥离工艺进行研究,发现其倒梯形的光刻胶剖面有利于制备高精度的厚膜图形。以Ti为过渡层,在Si3N4/Si基底上成功制备出线宽80μm、厚度2μm的W型Ni/Al多层复合含能桥膜,形状完整清晰;SEM和EDS分析表明,桥膜表面晶粒均匀,成分稳定。采用高速摄影仪分别拍摄了等尺寸、等厚度的Al桥膜、Ni桥膜和Ni/Al复合桥膜在100μF电容(140V充电电压)放电下的无药点火情况,发现Ni/Al复合桥膜反应迅速,火焰喷射面积更大,并能抛撒出大量火花,且持续时间最长。     

甲烷-氢气-空气预混合气燃烧特性研究

在定容燃烧弹内进行了甲烷-氢气-空气混合气燃烧试验,采集燃烧压力数据和火焰扩散图片,讨论不同的初始温度、初始压力、燃空当量比、掺氢比对甲烷-氢气-空气混合气的最大燃烧压力、最大压力升高率、燃烧速率和燃烧稳定性的影响.结果表明:混合气在较高初始温度和较低初始压力下,燃烧速率相对较大;随着混合气中氢气比例增加,最大燃烧压力值增大,其出现时刻提前,火焰半径明显增大且出现褶皱,火焰传播稳定性降低.