CN105348704A - 一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，属于含能材料领域。该方法依次包括如下步骤：原料粉配制、表面改性、混粉干燥、模压成型、烧结成型。该方法可以采用常规的Al、W以及PTFE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Al/W/PTFE含能材料相较于传统的Al/PTFE(Al:26.4wt％；PTFE:73.6wt％)含能材料在抗压强度和密度方面均有大幅提高，而含能材料的反应阈值也有所提高。当含能材料中W的质量分数达60％时，相较于传统的Al/PTFE含能材料，密度提高了88％，动态强度极限提高21％，同时，反应阈值提高24％。

Description

一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝/钨/聚四氟乙烯(Al/W/PTFE)含能材料的制备方法，属于含能材料领域。
背景技术
铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)含能材料是一种新型的“冲击引发型含能材料”，与传统含能材料不同的是，Al/PTFE含能材料是由两种或两种以上非爆炸性固体颗粒烧结而成的复合材料，在一般情况下是非常钝感的，难以被起爆，安全性能极高。该材料兼有聚合物和金属的双重特性，其具有一定的韧性和强度，用其制成的反应破片在撞击目标时可以对目标产生动能侵彻作用，对目标进行直接毁伤。与传统钢破片不同的是，反应破片在撞击作用下可以引发强烈的爆炸、燃烧等化学反应并放出大量热，大大提高了作用于目标的能量总值。
基于Al/PTFE含能材料这一特性，由其制成的反应破片不仅可以对目标造成贯穿作用，其释放的热能还可以大大提高侵彻穿孔直径且产生燃烧、类爆轰、内爆等显著的后效作用，提高了对目标的毁伤效果。结合Al/PTFE含能材料的这些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。
在撞击过程中，由于Al/PTFE含能材料的强度和密度均较低，其侵彻能力受到限制。考虑到钨颗粒具有强度高、密度大和熔点高等特点，采用其对Al/PTFE含能材料进行颗粒增强，所制备的Al/W/PTFE含能材料的毁伤性能得到提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有Al/PTFE含能材料无法满足现在的应用需求，提供一种Al/W/PTFE含能材料的制备方法，该方法采用模压烧结工艺，而且制备工艺简单、适宜批量生产。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将铝粉和钨粉混合均匀后，浸没于无水乙醇中；向其中加入偶联剂，得到固液混合物；其中，钨的质量分数为不大于60％、铝的质量分数为10％～30％；
步骤二、向步骤一所得的固液混合物中加入聚四氟乙烯(PTFE)粉末，需保证PTFE粉末浸没于无水乙醇中，混合均匀，然后干燥，得到混合粉末；其中，PTFE的质量分数为20％～80％；
步骤三、将步骤二所得的混合粉末置于模具中，用压缩机进行压缩以得到预压成型试件；对预压成型试件进行烧结，得到最终试件。
所述偶联剂为硅烷偶联剂。
步骤三所述用压缩机进行压缩时的压强为10MPa～50MPa。
步骤三所述烧结时的烧结温度为370℃～390℃，烧结时间为1h～3h。
有益效果
1、一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，采用常规的Al、W以及PTFE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。
2、本发明提供的Al/W/PTFE含能材料相较于Al/PTFE含能材料，具有更高的密度和强度，当W质量分数为60％时，其密度可达到3880kg/m3,动态强度极限可达119.30MPa，相较于传统的Al/PTFE含能材料，强度极限提高了21％，密度提高了88％。此外，还可以通过改变W的含量来调节含能材料的反应阈值和反应释能。这可以使得由这种含能材料制成的破片在爆炸加速过程中足够钝感不发生反应，在撞击侵彻过程中具有一定的密度和强度，能够保证其具有较大的侵彻威力，并能发生化学反应释放能量，增加毁伤目标能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步解释。
实施例1
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W40％，Al15.9％,PTFE44.1％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉40g，粒度为3μm的Al粉15.9g，粒度为25μm的PTFE粉44.1g。
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.559g硅烷偶联剂，浸泡6h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合10h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为55℃。
4)模压成型步骤：将上述经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为30MPa，压力增速为30N/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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380℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料的密度为3050kg/m-3,反应阈值为5700/s，在7000/s应变率下材料所发生冲击引发反应的剧烈程度适中，该材料在应变率6450/s下强度极限为111.90MPa，屈服强度为63.00MPa。
实施例2
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W60％，Al10.6％,PTFE29.4％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉60g，粒度为3μm的Al粉10.6g，粒度为25μm的PTFE粉29.4g。
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.706g硅烷偶联剂，浸泡8h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合8h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为65℃。
4)模压成型步骤：将上述一定质量经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为30MPa，压力增速为30N/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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0.02MPa。设置烧结温度为380℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料的密度为3880kg/m-3,反应阈值为6450/s，在7000/s应变率下材料所发生冲击引发反应的较为微弱，该材料在应变率6450/s下强度极限为119.30MPa，屈服强度为65.00MPa。
实施例3
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W20％，Al21.2％,PTFE58.8％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉20g，粒度为3μm的Al粉21.2g，粒度为25μm的PTFE粉58.8g。
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.412g硅烷偶联剂，浸泡10h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合12h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为55℃。
4)模压成型步骤：将上述一定质量经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为30MPa，压力增速为40N/s，保压时间为5min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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0.02MPa。设置烧结温度为380℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料的密度为2670kg/m-3,反应阈值为5700/s，在7000/s应变率下材料所发生冲击引发反应的较为强烈，该材料在应变率6450/s下强度极限为98.11MPa，屈服强度为56.00MPa。
实施例4
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W0％，Al26.4％,PTFE73.6％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉0g，粒度为3μm的Al粉26.4g，粒度为25μm的PTFE粉73.6g。
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.264g硅烷偶联剂，浸泡6h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合10h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为60℃。
4)模压成型步骤：将上述一定质量经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为30MPa，压力增速为30N/s，保压时间为4min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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0.02MPa。设置烧结温度为380℃，烧结时间为1h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料的密度为2060kg/m-3,反应阈值为5200/s，在7000/s应变率下材料所发生冲击引发反应的十分强烈，该材料在应变率6450/s下强度极限为99.83MPa，屈服强度为58.00MPa。
实施例5
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W40％，Al15.9％,PTFE44.1％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉40g，粒度为3μm的Al粉15.9g，粒度为25μm的PTFE粉44.1g，
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.559g硅烷偶联剂，浸泡4h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合12h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为70℃。
4)模压成型步骤：将上述一定质量经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为50MPa，压力增速为40N/s，保压时间为6min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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0.02MPa。设置烧结温度370℃，烧结时间为2h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料在应变率0.001/s下强度极限为27.94MPa，屈服极限为24.50MPa。
实施例6
一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，
该实施例提供的Al/W/PTFE含能材料按质量比由如下成分构成：W40％，Al15.9％,PTFE44.1％
1)原料粉配制：分别称量出粒度为3μm的W粉40g，粒度为3μm的Al粉15.9g，粒度为25μm的PTFE粉44.1g，
2)表面改性：将上述所称量的铝粉和钨粉混合并浸没于适量无水乙醇中，向其中加入0.559g偶联剂，浸泡6h。
3)混粉干燥步骤：向上述经表面改性的金属粉末中加入所称量的PTFE粉末并浸没于无水乙醇中，装入高效混粉机进行充分混合10h，置于电热恒温箱中进行干燥，设置恒温箱温度为65℃。
4)模压成型步骤：将上述一定质量经干燥后的的混合粉体置于直径为10mm的钢制圆柱模具中，用压缩机进行压缩，设置成型压强为10MPa，压力增速为30N/s，保压时间为5min，保压完成后，压力以30N/s的降速缓慢卸载，脱模。
5)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0.02MPa。设置烧结温度为390℃，烧结时间为3h，升温速率60℃/h，降温速率为40℃/h，降温过程中于327℃保温2h。
本实施例制备的Al/W/PTFE含能材料在应变率0.001/s下强度极限为25.84MPa，屈服极限为21.30MPa。

Claims (4)

1.一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将铝粉和钨粉混合均匀后，浸没于无水乙醇中；向其中加入偶联剂，得到固液混合物；其中，钨的质量分数为不大于60％、铝的质量分数为10％～30％；
步骤二、向步骤一所得的固液混合物中加入聚四氟乙烯(PTFE)粉末，需保证PTFE粉末浸没于无水乙醇中，混合均匀，然后干燥，得到混合粉末；其中，PTFE的质量分数为20％～80％；
步骤三、将步骤二所得的混合粉末置于模具中，用压缩机进行压缩以得到预压成型试件；对预压成型试件进行烧结，得到最终试件，即铝/钨/聚四氟乙烯含能材料。
2.如权利要求1所述的一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂。
3.如权利要求1所述的一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述用压缩机进行压缩时的压强为10MPa～50MPa。
4.如权利要求1所述的一种铝/钨/聚四氟乙烯含能材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述烧结时的烧结温度为370℃～390℃，烧结时间为1h～3h。
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