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冷轧成型Al/Ni多层复合材料力学行为与冲击释能特性研究

熊玮 张先锋 陈亚旭 丁力 包阔 陈海华

引用本文:
Citation:

冷轧成型Al/Ni多层复合材料力学行为与冲击释能特性研究

    作者简介: 熊 玮(1991- ),女,博士研究生,xiong_xiongwei@sina.cn;
    通讯作者: 张先锋, lynx@njust.edu.cn
  • 中图分类号: O382

Mechanical properties and shock-induced chemical reaction behaviors of cold-rolled Al/Ni multi-layered composites

    Corresponding author: ZHANG Xianfeng, lynx@njust.edu.cn ;
  • CLC number: O382

  • 摘要: 基于冷轧成型工艺,采用不同的轧制道次制备Al/Ni多层复合材料。开展了Al/Ni多层复合材料准静态压缩和准密闭二次撞击反应实验,对它的力学性能和冲击释能特性进行测试。同时,通过扫描电镜得到了材料的细观结构特性,分析了Al/Ni多层复合材料细观特性对宏观力/化学行为的影响机制。结果表明,基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料比粉末压制而成的Al/Ni复合材料塑性更强,材料的抗压强度总体随冷轧次数的增加呈上升趋势。另外,冷轧3~5道次的Al/Ni多层复合材料的准密闭二次撞击反应实验表明,材料在相同的撞击速度(800~1 500 m/s)下释放的化学能随着轧制道次的增加而逐渐降低。
  • 图 1  不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料细观结构

    Figure 1.  Microstructures of Al/Ni multi-layered composites manufactured by cold rolling with 2–5 passes

    图 2  Al和Ni两相界面处的SEM照片

    Figure 2.  AI/Ni interface microstructures reflected from SEM photographs

    图 3  不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料准静态压缩应力应变曲线

    Figure 3.  True stress-strain curves of Al/Ni multi-layered composites under quasi-static compression

    图 4  Al/Ni多层复合材料的准静态压缩实验结果

    Figure 4.  Typical pictures for quasi-static compressive cracks of Al/Ni multi-layered composites

    图 5  准密闭二次撞击反应实验布局图[9]

    Figure 5.  An experimental layout of double impact initiation experiment

    图 6  典型的容器内破片冲击反应的照片

    Figure 6.  Typical photographs of impact reaction in experimental chamber

    图 7  典型的压力曲线

    Figure 7.  Typical pressure curves

    图 8  Al/Ni多层复合材料的比化学能

    Figure 8.  Specific chemical energy for Al/Ni multi-layered composites

    图 9  Al/Ni多层复合材料的准静态压力曲线的上升速率

    Figure 9.  Increase rate of quasi-static pressure for Al/Ni multi-layered composites

    表 1  准密闭二次撞击反应实验结果

    Table 1.  Experimental results of double impact initiation

    Al/Ni材料类型m/gv/(m·s−1)Δpm/MPaQ/kJEk/kJer/(kJ·g−1)pm $ t_{\rm m}^{-1}$)/(MPa·s−1)
    冷轧3道次2.94 8410.0110.970.800.060.42
    2.98 8720.0161.410.890.170.46
    2.591 1030.0494.311.311.161.58
    2.951 3820.0817.132.551.552.45
    2.741 4060.1059.242.442.483.09
    冷轧4道次2.69 8520.0141.230.740.180.54
    2.591 0320.0242.111.120.381.09
    2.671 0640.0332.901.250.621.06
    2.791 3270.0585.102.191.041.76
    2.731 3710.0877.662.301.962.35
    冷轧5道次2.98 8540.0151.320.810.170.48
    2.901 0230.0252.201.210.340.81
    2.881 0490.0282.461.280.411.04
    2.881 4190.0484.222.600.561.41
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  • [1] HUNT E M, PLANTIER K B, PANTOYA M L. Nano-scale reactants in the self-propagating high-temperature synthesis of nickel aluminide [J]. Acta Materialia, 2004, 52(11): 3183–3191. DOI: 10.1016/j.actamat.2004.03.017.
    [2] SONG I, THADHANI N N. Shock-induced chemical reactions and synthesis of nickel aluminides [J]. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Material, 1992, 23(1): 41–48. DOI: 10.1007/BF02660849.
    [3] KUK S W, RYU H J, YU J. Effects of the Al/Ni ratio on the reactions in the compression-bonded Ni-sputtered Al foil multilayer [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 589: 455–461. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.020.
    [4] BAKER E L, DANIELS A S, NG K W, et al. Barnie: A unitary demolition warhead [C] // 19th International Symposium on Ballistics. Interlaken, Switzerland, 2001: 23−27.
    [5] NIELSON D B, ASHCROFT B N, DOLL D W. Reactive material compositions and projectiles containing same: 8 568 541 [P]. 2013-10-29.
    [6] HUGUS G D, SHERIDAN E W, BROOKS G W. Structural metallic binders for reactive fragmentation weapons: 8 250 985 [P]. 2012-10-11.
    [7] MARTIN M. Processing and characterization of energetic and structural behavior of nickel aluminum with polymer binders [D]. USA: Georgia Institute of Technology, 2005: 41−45.
    [8] ZHANG X F, SHI A S, QIAO L, et al. Experimental study on impact-initiated characters of multifunctional energetic structural materials [J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113(8): 083508. DOI: 10.1063/1.4793281.
    [9] XIONG W, ZHANG X F, WU Y, et al. Influence of additives on microstructures, mechanical properties and shock-induced reaction characteristics of Al/Ni composites [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 648: 540–549. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.07.004.
    [10] 宋鸿武, 陈岩, 程明, 等. 异种金属层状复合材料累积叠轧工艺的研究进展 [J]. 材料导报, 2011, 25(10A): 7–12.
    SONG Hongwu, CHEN Yan, CHENG Ming, et al. Progresses in the accumulative roll-bonding of clad bimetals [J]. Materials Review, 2011, 25(10A): 7–12.
    [11] KNEPPER R, SNYDER M R, FRITZ G, et al. Effect of varying bilayer spacing distribution on reaction heat and velocity in reactive Al/Ni multilayers [J]. Journal of Applied Physics, 2009, 105(8): 083504. DOI: 10.1063/1.3087490.
    [12] SPECHT P E, THADHANI N N, WEIHS T P. Configurational effects on shock wave propagation in Ni-Al multilayer composites [J]. Journal of Applied Physics, 2012, 111(7): 073527. DOI: 10.1063/1.3702867.
    [13] SPECHT P E, WEIHS T P, THADHANI N N. Interfacial effects on the dispersion and dissipation of shock waves in Ni/Al multilayer composites [J]. Journal of Dynamic Behavior of Materials, 2016, 2(4): 500–510. DOI: 10.1007/s40870-016-0084-0.
    [14] KELLY S C, THADHANI N N. Shock compression response of highly reactive Ni + Al multilayered thin foils [J]. Journal of Applied Physics, 2016, 119(9): 095903. DOI: 10.1063/1.4942931.
    [15] GAVENS A J, VAN HEERDEN D, MANN A B, et al. Effect of intermixing on self-propagating exothermic reactions in Al/Ni nanolaminate foils [J]. Journal of Applied Physics, 2000, 87(3): 1255. DOI: 10.1063/1.372005.
    [16] MA E, THOMPSON C V, CLEVENGER L A, et al. Self-propagating explosive reactions in Al/Ni multilayer thin films [J]. Applied Physics Letters, 1990, 57(12): 1262. DOI: 10.1063/1.103504.
    [17] KUK S W, YU J, RYU H J. Effects of interfacial Al oxide layers: Control of reaction behavior in micrometer-scale Al/Ni multilayers [J]. Materials and Design, 2015, 84: 372–377. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.06.173.
    [18] AMES R G. Vented chamber calorimetry for impact-initiated energetic materials [C] // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, 2005: 279.
    [19] DUNBAR E, THADHANI N N. High-pressure shock activation and mixing of nickel-aluminum powder mixtures [J]. Journal of Materials Science, 1993, 28: 2903–2914. DOI: 10.1007/BF00354693.
    [20] WEI C T, VITALI E, JIANG F, et al. Quasi-static and dynamic response of explosively consolidated metal-aluminum powder mixtures [J]. Acta Materialia, 2012, 60(3): 1418–1432. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.10.027.
    [21] BOSLOUGH M B. A thermochemical model for shock-induced reactions (heat detonations) in solids [J]. Journal of Chemical Physics, 1990, 92(3): 1839–1848. DOI: 10.1063/1.458066.
    [22] XIONG W, ZHANG X, TAN M, et al. The energy release characteristics of shock-induced chemical reaction of Al/Ni composites [J]. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(43): 24551–24559. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b06530.
    [23] LYNCH D D, KUNKEL R W, JUARASCIO S S. An analysis comparison using the vulnerability analysis for surface targets (VAST) computer code and the computation of vulnerable area and repair time (COVART Ⅲ) computer code: ARL-MR-341 [R]. USA: Army Research Laboratory, 1997.
    [24] 刘彤. 防空战斗部杀伤威力评估方法研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2004: 53−56.
  • [1] 葛超乌布力艾散·麦麦提图尔荪田超董永香宋卿 . 基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值. 爆炸与冲击, 2018, 38(1): 1-8. doi: 10.11883/bzycj-2017-0030
    [2] 冯勇明周丽 . 基于匹配追踪算法的复合材料冲击损伤成像技术. 爆炸与冲击, 2012, 32(3): 259-266. doi: 10.11883/1001-1455(2012)03-0259-08
    [3] 江大志郭洋李长亮肖加余 . 双层夹芯复合材料结构横向冲击响应实验. 爆炸与冲击, 2009, 29(6): 590-595. doi: 10.11883/1001-1455(2009)06-0590-06
    [4] 徐加初杨增涛 . 爆炸冲击下复合材料层合扁球壳的动力屈曲. 爆炸与冲击, 2007, 27(2): 116-120. doi: 10.11883/1001-1455(2007)02-0116-05
    [5] 杨扬徐绯张岳青汤忠斌 . 平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟. 爆炸与冲击, 2015, 35(1): 22-28. doi: 10.11883/1001-1455(2015)01-0022-07
    [6] 刘希国蒋元兴赵红平吴永礼张双寅 . 冲击载荷下纤维复合材料裂纹起裂的实验研. 爆炸与冲击, 2002, 22(2): 111-118.
    [7] 周元鑫张学峰夏源明 . 应变率对Gr/Al金属基复合材料力学性能的影响. 爆炸与冲击, 1999, 19(3): 243-249.
    [8] 刘海笑张楚汉周锡礽 . 冲击作用下含孔洞纤维增强复合材料平板的动力学实验与数值研究. 爆炸与冲击, 2000, 20(4): 313-318.
    [9] 王加刚余永刚周良梁曹韩学刘溪 . 玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析. 爆炸与冲击, 2017, 37(6): 1107-1112. doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1107-06
    [10] 张博一王伟武高辉 . 空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性. 爆炸与冲击, 2014, 34(1): 28-34. doi: 10.11883/1001-1455(2014)01-0028-07
    [11] 张若棋杨广王诚洪赵国民张万甲 . Al2O3SiO2/ZL109 金属基复合材料的强度性能研究. 爆炸与冲击, 1998, 18(1): 48-53.
    [12] 李晓杰王占磊谢兴华赵铮史兴治 . WC/Al2O3颗粒增强Cu基复合材料爆炸粉末烧结实验研究. 爆炸与冲击, 2006, 26(4): 356-360. doi: 10.11883/1001-1455(2006)04-0356-05
    [13] 唐敬友徐胜利 . 甲烷气体的冲击化学反应流研究. 爆炸与冲击, 2003, 23(6): 539-544.
    [14] 赖建中朱耀勇徐升过旭佳 . 超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究. 爆炸与冲击, 2013, 33(6): 601-607. doi: 10.11883/1001-1455(2013)06-0601-07
    [15] 陈小伟李继承张方举陈刚 . 钨纤维增强金属玻璃复合材料弹穿甲钢靶的实验研究. 爆炸与冲击, 2012, 32(4): 346-354. doi: 10.11883/1001-1455(2012)04-0346-09
    [16] 谢文波张伟姜雄文 . 钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究. 爆炸与冲击, 2018, 38(3): 647-653. doi: 10.11883/bzycj-2016-0289
    [17] 戎志丹孙伟张云升张文华 , . 超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能. 爆炸与冲击, 2010, 30(3): 232-238. doi: 10.11883/1001-1455(2010)03-0232-07
    [18] 杨扬徐绯张岳青莫建军陶彦辉 . 二维平纹编织C/SiC复合材料的超高速碰撞实验. 爆炸与冲击, 2013, 33(2): 156-162. doi: 10.11883/1001-1455(2013)02-0156-07
    [19] 彭刚王绪财刘原栋冯家臣 . 复合材料层板的抗贯穿机理与模拟研究. 爆炸与冲击, 2012, 32(4): 337-345. doi: 10.11883/1001-1455(2012)04-0337-09
    [20] 荣光黄德武 . 钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象. 爆炸与冲击, 2009, 29(4): 351-355. doi: 10.11883/1001-1455(2009)04-0351-05
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-25
  • 录用日期:  2018-04-10
  • 网络出版日期:  2019-04-25
  • 刊出日期:  2019-05-01

冷轧成型Al/Ni多层复合材料力学行为与冲击释能特性研究

    作者简介:熊 玮(1991- ),女,博士研究生,xiong_xiongwei@sina.cn
    通讯作者: 张先锋, lynx@njust.edu.cn
  • 1. 南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094
  • 2. 陆军装备部,北京 100072

摘要: 基于冷轧成型工艺,采用不同的轧制道次制备Al/Ni多层复合材料。开展了Al/Ni多层复合材料准静态压缩和准密闭二次撞击反应实验,对它的力学性能和冲击释能特性进行测试。同时,通过扫描电镜得到了材料的细观结构特性,分析了Al/Ni多层复合材料细观特性对宏观力/化学行为的影响机制。结果表明,基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料比粉末压制而成的Al/Ni复合材料塑性更强,材料的抗压强度总体随冷轧次数的增加呈上升趋势。另外,冷轧3~5道次的Al/Ni多层复合材料的准密闭二次撞击反应实验表明,材料在相同的撞击速度(800~1 500 m/s)下释放的化学能随着轧制道次的增加而逐渐降低。

English Abstract

  • Al/Ni材料是一种典型的含能结构材料,近几年受到了广泛关注。在物理性能方面,Al/Ni材料具有高熔点、高比强度等特性[1]。而在化学反应特性方面,在不同的温度或冲击加载条件下,该材料能发生化学反应并产生NiAl3、NiAl、Ni2Al3和Ni3Al等不同的反应产物[2-3]。由于它兼具较好的力学性能和化学反应释能特性,Al/Ni材料可广泛应用于含能破片、含能药型罩等含能毁伤元中,提高对目标毁伤效能,也可应用于冲击反应增韧防护材料中,提高其综合防护能力,因而在未来高效毁伤和防护技术上,它有非常广阔的应用前景[4-6]

    Al/Ni材料通常通过粉末压制成型[7-9],该方法具有制备成本低、工艺简单的优点,而材料性能通常由原始粉末的形状、颗粒大小及所压制试件的密实度等决定。除此之外,由冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料,也在近十年来受广泛的关注。Al/Ni材料的冷轧技术指在一定压下量(>50%)下将相互间隔的Al板和Ni板进行轧制而结合在一起,把轧制板切割并再次叠加在一起重复轧制多道次的过程[10]。与粉末压制材料相比,Al/Ni多层复合材料细观结构的不均匀性较为明显,且其冲击压缩特性除了与材料层的厚度相关,还与材料载荷方向相关[11-13]。Kelly等[14]基于激光驱动飞片技术研究了Al/Ni多层复合材料的冲击压缩特性,并结合高分辨透射电子显微镜(high resolution transmission electron microscopy,TEM),推测在材料内部的不均匀处更容易引发化学反应。此外,由冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料界面间通常会出现一定的金属间化合物,对该类材料高温自蔓延合成(self-propagating high-temperature synthesis,SHS)过程的反应速度有一定的影响[15]。目前,关于Al/Ni多层复合材料的化学反应行为的研究,主要集中在基于差示扫描量热法 (differential scanning calorimetry,DSC) 的加热速率为20~40 ℃/min的SHS过程上[15-17],而对冲击释能特性的研究较少。

    本文中,利用准静态压缩实验技术和准密闭二次撞击反应实验技术[18],对不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料的力学性能和冲击诱发化学反应(shock-induced chemical reaction,SICR)行为进行研究。从细观角度,结合不同Al/Ni多层复合材料的细观结构特征,对其宏观力学响应及冲击响应规律进行解释。初步确定轧制道次不同所引起的细观结构差异对Al/Ni多层复合材料的宏观力学响应及冲击释能行为的影响规律。

    • 基于冷轧技术制备了2~5道次4种不同的Al/Ni多层复合材料,研究轧制道次对Al/Ni细观结构、力学性能及SICR行为的影响机制。选用原始厚度为0.8 mm的Al板和0.5 mm的Ni板为原材料,以保证材料化学计量比接近于1∶1(实际为1.09∶1),从而保证具有良好化学反应性能[19]

      复合材料的性能通常与其细观结构(颗粒尺寸、形状、配比等)紧密相关。利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)得到了能够反映上述4种Al/Ni多层复合材料细观结构的照片(均采用30倍的放大比),并对典型的细观厚度尺寸进行标记,如图1所示。其中,颜色较深的相为Al,而颜色较浅的相为Ni。从图1可以看出,基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料的细观结构主要以Al为基体,而Ni散布其中。这是由于Al、Ni两种材料力学性能不同,冷轧过程中相对较硬的Ni板在大变形条件下发生了颈缩和断裂。冷轧后的Al、Ni两相材料呈条状平行、交错分布。随着冷轧次数的增多,各相材料的厚度逐渐减小,且材料细观形状逐渐变得不规则。与其他轧制道次的Al/Ni多层复合材料相比,冷轧4道次材料的细观结构中,Ni相的形状、厚度及长度的不均匀性尤为明显,如图1(c)所示。

      图  1  不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料细观结构

      Figure 1.  Microstructures of Al/Ni multi-layered composites manufactured by cold rolling with 2–5 passes

      放大倍数为500的SEM照片如图2所示。从图2可以看出,在Al、Ni两相界面处存在一种颜色不同且不连续的第三相,为轧制过程中大变形条件下引起原子扩散而产生的金属间化合物。其中,在冷轧2道次材料的界面处仅有极少量的化合物,随着冷轧次数的增加,化合物的含量也逐渐增加,直至在冷轧5道次材料界面处产生较为连续的化合物。

      图  2  Al和Ni两相界面处的SEM照片

      Figure 2.  AI/Ni interface microstructures reflected from SEM photographs

    • 通过准静态压缩实验测试了4种Al/Ni多层复合材料在10−3 s−1应变率下的力学性能,并将相应的应力应变曲线与粉末压制的Al/Ni复合材料[9]进行对比,如图3所示。由实验结果可以看出,粉末压制的Al/Ni复合材料的应力在达到屈服点后迅速下降,而基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料在准静态压缩过程中有明显的应变强化阶段。随着冷轧道次从2增至5,材料的抗压强度整体呈上升趋势(依次为150、177、172和194 MPa),这主要是由于轧制过程中各相材料的强度和界面黏结力均有所加强。然而,由于冷轧4道次的Al/Ni多层复合材料细观结构中断裂的Ni板形状和尺寸均存在较大的不均匀性,材料在不均匀处更易产生破坏,从而造成该材料的强度略低于冷轧3道次材料。

      图  3  不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料准静态压缩应力应变曲线

      Figure 3.  True stress-strain curves of Al/Ni multi-layered composites under quasi-static compression

      由于细观结构的不均匀性,准静态压缩实验中每种Al/Ni多层复合材料中均产生几种不同的裂纹形状,如图4(a)(b)所示。通过与原始试件对比可以看出,在压缩载荷下,Al/Ni多层复合材料试件发生了显著的镦粗变形。Al/Ni多层复合材料主要的裂纹形状可以归纳为相互平行或相交的45°裂纹组合的形式。为了研究压缩载荷下Al/Ni多层复合材料破坏机制,获取了实验后无明显裂纹及有明显裂纹材料的SEM照片,如图4(c)(d)所示。从图4(c)可以看出,压缩载荷下,Al相和Ni相之间的金属间化合物先发生破坏。另外,根据Wei等[20]的研究,复合材料的强度主要由基体材料决定,则本文中的Al/Ni多层复合材料的强度主要由Al相决定。在Al、Ni两相中,Al的硬度相对较低,因此在压缩过程中容易被硬度较高的Ni颗粒挤压破坏。在准静态压缩过程中,细观尺度上界面处铝镍化合物及Al相中的裂纹不断扩展,最终在宏观尺度上出现了不同裂纹组合形状的破坏模式。

      图  4  Al/Ni多层复合材料的准静态压缩实验结果

      Figure 4.  Typical pictures for quasi-static compressive cracks of Al/Ni multi-layered composites

    • 准密闭二次撞击反应实验是一种典型的含能材料冲击释能特性的测试实验[18],实验系统主要由14.5 mm弹道枪、测速系统、密闭反应容器、高速摄影机、压阻传感器及相关数据采集系统组成,如图5所示。密闭反应容器近似于圆柱型,长为630 mm,内径为270 mm,容积约为35.2 L。容器的破片入射端由一层0.5 mm厚的前置铁皮密封,距入射端335 mm处有一块15 mm厚的钢靶固定于容器内部。压阻传感器安装在容器内壁距入射端230 mm处,其型号为CYG145,量程为2 MPa,用以记录容器内部的压力变化。容器一侧有透明的观测窗,采用高速摄像仪观测Al/Ni多层复合材料的反应情况。

      图  5  准密闭二次撞击反应实验布局图[9]

      Figure 5.  An experimental layout of double impact initiation experiment

    • 弹道枪发射的Al/Ni破片穿透铁皮后,撞击容器内部的钢靶,Al/Ni多层复合材料内部将在强烈的冲击作用下发生颗粒塑性变形、颗粒融合及孔隙压实等过程,引起材料内部的温度升高。通过不同冷轧道次制备的Al/Ni多层复合材料的细观结构特性存在差异,可能影响冲击加载下材料内部的温度分布,从而改变材料的冲击释能特性。因此,为了考察冷轧道次对Al/Ni多层复合材料SICR特性的影响,选取冷轧3~5道次共3种典型的Al/Ni多层复合材料进行准密闭二次撞击反应实验。

    • 以冷轧3道次的Al/Ni多层复合材料为例,对准密闭二次撞击反应实验中Al/Ni破片的SICR特性进行分析。用高速摄像仪拍摄Al/Ni破片撞击密闭反应容器中的钢靶后容器内的火光情况,并与等质量普通钢制破片得到的结果进行对比,如图6所示。从高速摄像照片可以看出,破片撞击钢靶后在强烈的冲击和摩擦作用下发出火光。将容器内初始出现火光的时间设定为零,可以发现撞击钢靶后,钢制破片产生微弱的火光并迅速减弱甚至消失。相比而言,Al/Ni多层复合材料产生的火光先变强再逐渐减弱,并且持续时间较长,说明其中产生了化学反应,释放了能量。另外,撞击速度为1 382 m/s时容器内的火光比841 m/s时更强烈,且持续时间更长,说明在一定撞击速度范围内,材料内部仅发生部分化学反应[21],且较高撞击速度条件下材料化学反应效率更高,从而释放更多的化学能。

      图  6  典型的容器内破片冲击反应的照片

      Figure 6.  Typical photographs of impact reaction in experimental chamber

      通过压阻传感器测得的冷轧3道次Al/Ni多层复合材料在1 406 m/s撞击速度下容器内超压曲线,如图7(a)所示。该曲线主要由噪声信号和准静态压力组成,其中噪声信号为在零压附近高频振动的周期性信号,而准静态压力由材料撞击钢靶并释放化学反应能产生。基于这个特性,进行滤波处理,可提取出准静态压力曲线,如图7(b)中1 406 m/s撞击速度对应的曲线所示。压力峰值记为Δpm,相应的时间记为tm,相关实验参数及结果见表1。Al/Ni多层复合材料SICR释放的能量引起容器内压力迅速上升,而容器内部的与外部通过前置铁皮上的破片穿孔连通而引起压力卸载,最终使准静态压力衰减至初始状态。冷轧3道次Al/Ni多层复合材料在3种典型撞击速度下的准静态压力曲线如图7(b)所示。同样可以发现,在一定的撞击速度范围内,准静态压力的峰值和超压持续时间随撞击速度的升高而增大。这主要是因为,撞击速度的升高导致材料内部冲击压力升高,使其冲击温度随之升高,从而直接提升了化学反应效率[22]

      图  7  典型的压力曲线

      Figure 7.  Typical pressure curves

      Al/Ni材料类型m/gv/(m·s−1)Δpm/MPaQ/kJEk/kJer/(kJ·g−1)pm $ t_{\rm m}^{-1}$)/(MPa·s−1)
      冷轧3道次2.94 8410.0110.970.800.060.42
      2.98 8720.0161.410.890.170.46
      2.591 1030.0494.311.311.161.58
      2.951 3820.0817.132.551.552.45
      2.741 4060.1059.242.442.483.09
      冷轧4道次2.69 8520.0141.230.740.180.54
      2.591 0320.0242.111.120.381.09
      2.671 0640.0332.901.250.621.06
      2.791 3270.0585.102.191.041.76
      2.731 3710.0877.662.301.962.35
      冷轧5道次2.98 8540.0151.320.810.170.48
      2.901 0230.0252.201.210.340.81
      2.881 0490.0282.461.280.411.04
      2.881 4190.0484.222.600.561.41

      表 1  准密闭二次撞击反应实验结果

      Table 1.  Experimental results of double impact initiation

    • Al和Ni之间的反应十分复杂,在不同的温度和冲击条件下可以产生不同的反应产物[2-3],并有可能发生氧化反应。本文中,定义参数er以对相同配比、不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料的冲击反应释能能力进行量化与比较。er为比化学能,即单位质量的材料冲击反应释放出的化学能。

      根据Ames[18]的理论分析,可以得到材料在准密闭二次撞击反应实验中释放的总能量ΔQ

      $ \Delta {p_{\rm{m}}} = \frac{{{\gamma _{\rm{a}}} - 1}}{{{V_{\rm{E}}}}}\Delta Q $

      式中:VE为密闭反应容器的容积,γa为容器内空气的比热比,设γa=1.4。假设破片穿过铁皮后全部进入密闭反应容器,且ΔQ只包含冲击释放的化学能Er及射入密闭反应容器中破片残余动能的贡献Ek,则比化学能可表示为:

      $ {e_{\rm{r}}} = \frac{{{E_{\rm{r}}}}}{m} = \frac{{\Delta Q - {E_{\rm{k}}}}}{m} $

      假设破片垂直撞击前置铁皮,并携带与碰撞面积相同的铁皮(mt)射入密闭反应容器。破片穿透铁皮的剩余速度vr可用经典的THOR方程计算[23-24]

      $ {v_{\rm{r}}} = v - 0.304\;8 \times {10^{{c_1}}}{\left( {61\;023.75\;hA} \right)^{{c_2}}}{\left( {15\;432.1\;m} \right)^{{c_3}}}{\left( {3.280\;84\;v} \right)^{{c_4}}} $

      式中:h为靶板厚度;Am分别为破片碰撞面积和破片质量;c1c4为由靶板材料定义的常数,本文中取c1=6.399,c2=0.889,c3=−0.945,c4=0.019。由此,可计算破片残余动能$ {E_{\rm{k}}}{\rm{ = }}\left( {m + {m_{\rm{t}}}} \right)v_{_{\rm{r}}}^2/2$

      图8为冷轧3~5道次Al/Ni多层复合材料在不同撞击速度下的比化学能。由于er去除了动能及质量等影响因素,可以直接反映材料的冲击释能能力。从实验结果可以看出,速度为850 m/s左右时,3种Al/Ni多层复合材料的比化学能比较接近,均趋近于零。随着撞击速度升高,相同撞击速度下的冷轧3道次Al/Ni多层复合材料产生的比化学能最高。当撞击速度达到1 406 m/s左右时,冷轧3道次Al/Ni多层复合材料的比化学能曲线逐渐趋近于平缓,而冷轧4道次的Al/Ni多层复合材料的比化学能曲线在撞击速度达到1 371 m/s后仍呈上升的趋势。此外,相对于其他两种材料,冷轧5道次的Al/Ni多层复合材料的比化学能曲线较为平缓,冲击释放的化学能最少,在撞击速度为1 419 m/s时已基本上释放出最大比化学能(0.56 kJ/g)。

      图  8  Al/Ni多层复合材料的比化学能

      Figure 8.  Specific chemical energy for Al/Ni multi-layered composites

    • 基于Ames[18]对准静态压力曲线的分析,假设图7中Δp从0增大至Δpm的过程与时间呈近似线性关系。为了评估Al/Ni多层复合材料冲击反应过程中的反应速率,对准静态压力曲线上升的速率Δpm/tm进行了计算,如图9所示。可以发现,在800~1 400 m/s的范围内,Δpm/tm随撞击速度的增大呈上升趋势。在850~950 m/s速度下,3种Al/Ni多层复合材料的反应速率相近。随着撞击速度的进一步上升,Al/Ni多层复合材料的反应速率开始随冷轧次数的不同发生变化,冷轧3道次材料的反应速率最快,而冷轧5道次材料的反应速率则最慢。

      图  9  Al/Ni多层复合材料的准静态压力曲线的上升速率

      Figure 9.  Increase rate of quasi-static pressure for Al/Ni multi-layered composites

    • 由于不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料具有相同的初始配比,导致其相同速度下冲击反应行为存在区别的主要原因在于其细观结构的差异。结合文献[12-13],对本文实验测得的基于冷轧成型Al/Ni多层复合材料冲击释能特性进行如下分析。

      (1) 由于Al、Ni间的材料阻抗不匹配,在冲击压缩过程中将引起冲击波在Al、Ni界面间反射而导致材料应变的增加,从而提高了冲击温度。对于Al/Ni多层复合材料,细观尺度上材料层厚度越薄,材料系统内部越快达到平衡,因而由冲击产生的应变越小、温升越低。从图1可以看出,冷轧道次越多,材料细观层厚度越小,在相同撞击条件下的内部温度越低。

      (2) 随着撞击速度的升高,材料颗粒剧烈变形,界面间的金属间化合物(见图2)迅速破碎,从而使Al、Ni两相快速融合发生化学反应,即金属间化合物对化学反应产生的阻碍作用减弱。因此,冷轧4道次Al/Ni多层复合材料释放的比化学能在高速段(v>1 300 m/s)逐渐接近于冷轧3道次材料。

      (3) 由图2可见,随着冷轧道次的增加,Al、Ni两相界面间的金属间化合物含量增加,阻碍了两相之间的相互接触与反应。因此,在一定撞击速度范围内,相同条件下冷轧3道次Al/Ni多层复合材料的冲击释放的化学能最多,而冷轧5道次Al/Ni多层复合材料最少。同时,由于冷轧5道次Al/Ni多层复合材料内金属间化合物含量过高(见图2(d)),已对有效反应物的含量造成足够大的影响,导致该材料最大比化学能(0.56 kJ/g)远小于其他两种Al/Ni多层复合材料。

    • 以制备的不同冷轧道次的Al/Ni多层复合材料为研究对象,利用SEM、准静态压缩实验及准密闭二次撞击反应实验对其细观结构、力学性能和SICR释能特性进行了研究,得到如下结论。

      (1)基于冷轧工艺制备了以Al为基体、Ni分散其中的Al/Ni多层复合材料。冷轧道次对Al/Ni多层复合材料细观尺度的颗粒形状、尺寸及界面间金属化合物的含量均有一定的影响,其中冷轧4道次材料细观结构的不均匀性尤为明显。

      (2)随着轧制道次的增加,Al/Ni多层复合材料的抗压强度整体呈上升趋势。其中,由于冷轧4道次Al/Ni多层复合材料的细观结构存在较大的不均匀性,导致其抗压强度略低于冷轧3道次材料。

      (3)相同撞击速度(800~1 500 m/s)下,随着Al/Ni多层复合材料冷轧道次的增加,释放的比化学能及反应速率均有所降低。其中,冷轧5道次材料Al/Ni多层复合材料受材料界面间金属化合物的影响较大,在1 419 m/s时已基本释放最大的比化学能。

参考文献 (24)

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