Al/Fe2O3/PTFE材料压缩力学性能与冲击反应特性

为研究铝/三氧化二铁/聚四氟乙烯(Al/Fe_2O_3/PTFE)材料在准静态压缩情况下的力学性能和落锤冲击条件下的反应特性,在Al/Fe_2O_3基础上加入不同体积分数的PTFE作为粘合剂,制备了多功能结构性Al/Fe_2O_3/PTFE含能材料,并用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征。结果表明,在准静态压缩条件下,随着PTFE含量的增加,材料的压缩强度、应变硬化模量、屈服强度、密度以及最大真实应变逐渐增大。当PTFE体积分数由40%增加到80%时,复合材料的强度由16 MPa逐渐上升到87 MPa。在落锤冲击条件下,PTFE体积分数为40%和60%的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料均能在落锤冲击下发生剧烈爆炸和燃烧,而加入80%PTFE的复合材料在高速摄影下也仅观察到微弱的火星,反应十分微弱。随着PTFE的增加,复合材料的感度逐渐降低,特性落高分别为55,58 cm和85 cm,发火延时分别为50,100μs和200μs。40%PTFE含量的Al/Fe_2O_3/PTFE复合材料落锤冲击后产物为AlF_3、Al_2O_3、FeF_2和炭黑,证实了铝热反应的发生,FeF_2不是PTFE与Fe_2O_3反应的产物,而是由铝热反应产生的Fe与PTFE分解产物之间的化学反应产生的。     

非平衡态Al/PTFE反应材料制备及其热性能

用机械合金化方法制备了Al-Ni-Ti-Zr非平衡态合金粉末。将制备的Al基非平衡态合金粉末与聚四氟乙烯(PTFE)微米粉混合压制制备了非平衡态Al-Ni-Ti-Zr/PTFE反应材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了球磨过程中粉末的相组成和形貌特征。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析了球磨后合金粉末的相结构。利用差示扫描量热法(DSC)分析了非平衡态Al/PTFE反应材料的热行为。结果表明:通过机械合金化方法可以制备出Al基非平衡态合金粉末。存在弥散在Al基非晶基体中的纳米级微晶岛状区域。在升温速率10 K·min~(-1)、空气气氛下,非平衡态Al/PTFE反应材料的反应峰值温度为495℃,放热峰积面积为1775 J·g~(-1)。连续升温条件下,非平衡态Al/PTFE反应材料的放热反应具有典型的动力学特征,通过Kissinger法计算的反应活化能E_c为309.1 kJ·mol~(-1)。     

Al粒径对Al-PTFE准静压反应和落锤撞击感度的影响

为探究Al粉粒径对铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)准静态压缩反应和落锤撞击感度的影响,采用模压烧结法制备了6类不同Al粒径的Al-PTFE反应材料试件,利用万能试验机和落锤仪对6类试件进行了对比实验并用高速摄影观察,得到了不同试件的应力应变曲线及撞击感度数据,分析了Al粒径对Al-PTFE准静态压缩力学性能和落锤撞击感度的影响。结果表明,准静压实验中,Al粒径小于10μm的Al-PTFE试件发生反应,Al粒径大于10μm的试件未发生反应,落锤撞击实验中,6类试件均发生反应,随Al粒径增大,试件强度和感度随之减小,试件韧性先增后减,在6~7μm最大。在较低应变率(10-2~102 s-1)范围内,随Al粒径增大,Al-PTFE反应材料发生活化由易变难。     

活性材料PTFE/Al动态压缩性能

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,研究两种不同配比的聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性材料(PA265和PA35)在高应变率下的力学压缩性能与加载反应性能,对比分析了铝含量不同对PTFE/Al活性材料的屈服强度,破坏性能,反应性能的影响.研究结果表明: 两种PTFE/Al活性材料存在应变率效应,在应变率1000～8000 s-1范围,PA265的屈服应力为32～44 MPa,PA35的屈服应力为40～55 MPa.铝含量越高,PTFE/Al的屈服强度越高; 在应变率3100～5800 s-1范围内,两种材料的破坏应力基本相同,约为143～153 MPa; PA265和PA35的临界反应应力分别为157,163 MPa; 铝粉含量不能高于35%,否则由于缺少足够的氧化剂(PTFE)而普遍出现不完全燃烧反应的现象.     

PTFE/Al反应多层膜的制备及力学性能

以铝(Al)为可燃物质,聚四氟乙烯(PTFE)为氧化剂,利用射频磁控溅射法制备了不同厚度,交替沉积的PTFE/Al反应多层膜。采用原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射仪(XRD)研究了溅射功率对薄膜表面形貌的影响规律,得到了PTFE/Al反应多层膜适宜的制备工艺,利用纳米压痕仪研究了PTFE/Al反应多层膜的力学性能。结果表明,当射频溅射功率分别为50 W和150 W时,制得的PTFE薄膜和Al薄膜的平均粗糙度与均方根粗糙度均较低。当PTFE/Al反应多层膜总厚度约为300 nm时,与相同厚度的纯PTFE膜和纯Al膜相比,PTFE/Al反应多层膜具有较高的硬度和弹性模量,分别为5.8 GPa和120.0 GPa。     

PTFE含量和烧结温度对Al/PTFE复合粒子形貌与燃烧性能的影响

为了探索聚四氟乙烯（PTFE）含量和烧结温度对铝粉（Al）/ PTFE复合粒子形貌和燃烧性能的影响规律,采用球磨-烧结工艺,制备了不同配比、不同烧结温度的Al/PTFE复合粒子。用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）对样品进行表征,研究了PTFE含量和烧结温度对复合粒子微观形貌的影响;利用密闭燃烧罐、高速摄像仪及红外热成像仪,对样品的燃烧过程进行分析,探究了PTFE含量和烧结温度对复合粒子燃烧性能的影响。结果表明,340 ℃烧结能使复合粒子形成规整的核壳结构,PTFE含量小于35%时,粒子包覆完整度随PTFE含量的增大而增大;当PTFE含量继续增加时,复合粒子形状变得不规则,出现颗粒凝聚。随着PTFE含量以及烧结温度的提高,样品的燃速、燃烧剧烈程度、火焰温度等均呈现出先提升再降低的趋势。最优条件（PTFE 含量35%,烧结温度340 ℃）制备的样品较其它条件制备的样品,燃烧压力最高增大16%,燃烧时间最长缩短37%,中心火焰温度提高317.1 ℃,这表明,适量的（35%最佳）的PTFE含量和合适的烧结温度（340 ℃最佳）会显著改善复合粒子的燃烧性能。     

TiH2含量对Al/PTFE准静态压缩力学性能和反应特性的影响

为了研究铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH_2/PTFE)反应材料的力学性能和反应特性,采用冷等静压和真空烧结工艺制备了四种不同TiH_2含量(0%,5%,10%,20%)的试件,同时制备了不含活性Al颗粒的TiH_2/PTFE试件作为对比组,对所有试件开展了准静态压缩实验。得到了不同TiH_2含量下试件的应力应变曲线及反应率数据,并记录下了试件的反应现象。对反应残渣进行了X射线衍射(XRD)物相分析,讨论了材料的反应机理。结果表明,TiH_2含量对材料性能和反应率影响显著,当TiH_2含量为5%时,反应率达到90%,材料强度达到最大值108MPa,比Al/PTFE类材料强度高15.1%;在TiH_2和Al含量相同时,TiH_2颗粒对PTFE基体增强作用大于Al颗粒;与Al/PTFE相比,含TiH_2的试件反应时出现了特殊的燃烧火苗现象,且该现象随TiH_2含量增加逐渐明显;材料断裂尖端高温引发Al与PTFE反应,使TiH_2活化,释放出氢,生成Ti C,能量释放充分,达到其作为高能添加剂的目的。     

2Al/Fe_2O_3铝热剂的点火温度

为确定2Al/Fe2O3铝热剂的点火温度,对铝粉重量、电阻和形貌随温度变化的特性进行了实验观测,用均匀体系热爆炸理论计算了铝热剂球的临界点火温度并通过实验检验。结果表明,对于粒径约30μm的铝热剂,温度超过铝的熔点(933K)时铝粉氧化膜胀裂,流出的铝液铺展到邻近的氧化铁粉表面;点火温度约1600K,低于氧化铁分解点(1730K),点火前化学反应为液-固相型;点火温度与铝热剂球的体积无明显关系,均匀体系热爆炸理论不适用。     

ZrH2填充改性Al/PTFE的力学响应与毁伤性能

为了研究ZrH2对Al/PTFE反应材料力学响应与毁伤性能的影响,采用冷压烧结工艺制备了Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE和纯PTFE三种材料的圆柱体与药型罩试件,通过准静态压缩、落锤冲击和高速撞靶实验,对三种材料的力学性能、撞击感度与撞靶毁伤效能进行了对比研究.实验结果表明:三种PTFE基材料均为弹塑性材料,都存在应变硬化效应,质量分数为10％的ZrH2能提高Al/PTFE反应材料的力学强度,使其屈服强度与失效应力分别达到22.2 Mpa与93.3 Mpa,也可降低材料撞击感度,使其点火激发能增加1.93 J,并通过活化分解参与反应保证材料能量释放水平不受影响.两种含能药型罩在撞靶过程中能发生撞击释能反应,产生穿/扩孔综合效应,形成花瓣式外翻的穿孔形式,与惰性毁伤元相比,反应材料的撞击-反应双重毁伤效应能大幅提升其扩孔能力,在Al/PTFE反应材料中引入适量添加剂ZrH2,能进一步增强材料的撞靶毁伤效能.     

纳米复合Fe2O3/Al/RDX的制备与性能测试

采用溶胶-凝胶法,结合超临界CO2流体干燥技术,制备了85％ RDX的Fe2O3/Al/RDX含能材料.利用扫描电子显微镜( SEM)对样品进行了表征,其粒度为50～150 nm.对比测试了样品和原料RDX撞击感度、摩擦感度,样品的特性落高比原料RDX(2.5 kg,22.5 cm,12型工具)提高27.7 cm,其爆...     

聚四氟乙烯基铝活性材料的热化学反应特性

为获得聚四氟乙烯（PTFE）基铝（Al）活性材料的热化学反应性能,开展包含不同Al粒径的PTFE基Al活性材料在不同升温速率下的热化学反应实验。采用湿混工艺制备包含50 nm和10 μm两种Al粒径的PTFE基Al活性材料,并利用差示扫描量热法与热重分析法分析它们在10 ℃/min、 15 ℃/min、20 ℃/min、30 ℃/min升温速率下的热化学反应行为。结果表明：在10~ 30 ℃/min升 温速率中,包含纳米Al颗粒的PTFE基Al试样都发生了反应放热,而包含微米Al颗粒的PTFE基Al试样在小于900 ℃时并未与PTFE分解产物发生反应; Al颗粒的加入会对PTFE的热分解起到一定催化作用;对于Al粒径为50 nm的PTFE基Al活性材料,随着升温速率的增大,反应放热峰的峰值温度不断向高温区移动（由10 ℃/min的578.9 ℃移动到30 ℃/min时的608.5 ℃）,单 位放热量逐渐增多（由10 ℃/min升温速率下的331.6 J/g升高到30 ℃/min升温速率下的641.3 J/g）;研究结果对PTFE基Al活性材料的工程化应用具有参考意义。     

凝胶模板法制备RDX/B/Fe_2O_3纳米复合含能材料

采用溶胶凝胶法制备Fe2O3凝胶模板,加入黑索今(RDX)和硼(B)粉,制得RDX/B/Fe2O3复合湿凝胶,利用超临界CO2流体干燥工艺对其进行干燥,得到RDX/B/Fe2O3纳米复合含能材料。讨论了湿凝胶制备和超临界CO2流体干燥工艺中对凝胶结构和粒子大小的影响因素,获得了最佳制备工艺条件:Fe3+浓度0.20mol·L-1,n(Fe3+)∶n(C3H6O)=1∶15,超临界流体的温度40℃和压力10 MPa,干燥釜升压时CO2流入的速率15L·h-1,干燥釜平衡换气时CO2流体的流速2L·h-1。在此条件下制备得到纳米复合含能材料RDX/B/Fe2O3(质量比为90∶2∶8),利用扫描电镜,差示扫描量热分析了样品的微观形貌和热分解特性,测试了机械感度。结果表明,所得纳米含能材料粒度为30~50nm;RDX/B/Fe2O3分解放热起始温度比原料RDX提前了7℃,放热量提高了885J·g-1,机械感度H50=40.8cm。     

Fe2O3/BAl纳米复合含能材料的制备及性能研究

利用溶胶-凝胶法制备了Fe2O3/BAl纳米复合含能材料,用SEM、XRD、DSC等方法对Fe2O3/BAl复合含能材料的微观形貌、结构以及热力学性能进行了研究。结果表明:Fe2O3紧密包覆在B粉和纳米Al颗粒表面;与普通Fe2O3/Al铝热剂相比,溶胶-凝胶法制备的Fe2O3/BAl纳米复合含能材料具有更好的点火特性。     

Al/PTFE/W反应材料的准静态压缩性能与冲击释能特性

为了提高铝/聚四氟乙烯/钨(Al/PTFE/W)氟聚物基反应材料的冲击反应毁伤效能,开展了Al/PTFE/W反应材料的准静态压缩实验。分析了W的含量(0%,30%,65%)、Al颗粒粒径(13,45,75μm)以及PTFE颗粒尺寸(25,160μm)对反应材料的准静态力学性能的影响。用准静态密闭反应容器对反应材料进行了冲击释能测试,测得反应材料在750~1200 m·s~(-1)的冲击反应压力、释能持续时间。分析了Al颗粒粒径及PTFE材料粒径对冲击反应释能特性的影响。结果表明,当W的含量为0,30%和65%时,反应材料的失效强度分别为55.6、64.8和22.8 MPa,W的含量变化对屈服强度的影响不大。Al颗粒的尺寸从75μm减小到13μm时,反应材料的失效强度从64.7 MPa提高到83.1 MPa,提高幅度为28.4%。增大PTFE基体材料的粒径也可有效地提高反应材料的失效强度。反应材料的初始反应压力阈值和释放能量持续时间受材料粒径和准静态压缩力学性能的影响。