CN109465459B - 一种Ni-Al基全金属含能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种Ni‑Al基全金属含能材料及其制备方法，在制备Ni‑Al含能金属复合材料时，向其中添加适量的Al12Mg17等Al‑Mg系金属间化合物组元，提高Ni‑Al全金属含能材料的力学及化学释能特性。本发明的配方在保证材料制备效率的同时，可以显著降低全金属含能材料的点火温度阈值，提高活性材料的燃烧反应速度及反应效率。

Description

一种Ni-Al基全金属含能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Ni-Al基全金属含能材料及其制备方法，属于全金属活性材料制备技术领域。
背景技术
活性材料(Reactive Materials)通常是指由两种或多种非炸药类固体物质所组成的在点火后可以自身或与空气发生反应同时释放大量化学能的含能材料，通常具有很高的能量密度和反应温度，在防空、反导、反辐射破片战斗部领域具有广泛的应用。活性破片在侵彻目标时可以释放大量能量并产生强烈爆炸或燃烧效应，大幅度提高战斗部毁伤目标的能力。其中，全金属活性材料除了具有较优的释能特性之外，相比于铝热剂型和金属-聚合物型体系还兼具有一定的密度及强度等力学性能，既可以在一定的载荷作用下保持结构的完整性，又有较强的侵彻能力，作为活性破片可实现穿燃或穿爆的双重毁伤。综合考虑材料单位质量/体积下的化学反应放热量、使用安全性，制备难易程度，成本等因素，在全金属活性材料体系中，Ni-Al是一种较为理想的选择。
当Ni-Al活性材料在破片战斗部领域应用时，首先要选择合适的工艺实现高致密度、大体积活性块材的快速高效成型，因此活性破片的制备成型一般通过冷喷涂，爆炸成型等粉末堆积的方法来实现。然而，采用上述方法虽然都可以制备出致密的块体全金属活性材料，但组成材料的粉末仍是通过机械堆积的方式结合在一起。此外，为避免在制备过程中组元之间提前反应造成的能量损失以及爆炸等安全事故，制备原料通常采用微米级粉末，在实际使用过程中会出现反应阈值温度较高，燃烧速度较慢甚至反应不充分等问题，严重影响材料的释能特性。
为改善Ni-Al活性材料的使用性能，通常会对粉末原材料进行预处理，如在制备材料之前，使用高能球磨法细化粉末尺寸，使粉末颗粒达到纳米级。然而经过球磨后的粉末，加工硬化效应明显，制备过程中粉末之间结合能力急剧下降，导致材料强度低，动能侵彻能力不足。同时纳米尺寸的Ni-Al活性材料反应阈值低，不能通过热处理消除加工硬化。另一种途径是对成型后的坯体材料进行冷变形加工，如锻造，轧制等，虽然可以使颗粒发生变形，增大单位体积内活性组元之间的接触面积，但由于活性材料中粉末颗粒仍处于机械堆积状态，材料室温塑性变形能力差，冷加工过程中材料极易开裂。即使通过添加包套的方法能够保证材料变形的完整性，但仍会出现生产效率降低，材料形状单一等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有的活性材料体系配方或处理方法存在的不足，提出一种Ni-Al基全金属含能材料及其制备方法，相比传统Ni-Al活性材料，本发明的材料具有强度高，反应活性强等综合优势。克服了使用纳米结构原料粉末或进行纳米化处理所带来的生产安全性差及制备条件严格的问题。通过向其中加入一定比例的Al-Mg系金属间化合物粉末，提高材料动态冲击强度，降低材料的点火温度阈值，提高材料燃烧剧烈程度及放热量。同时不增加生产工序，及不降低材料密度。
本发明是通过如下技术方案来实现的。
一种Ni-Al基全金属含能材料，该含能材料包括Ni粉末、Al粉末和Al12Mg17化合物粉末；
Ni粉末粒径为5-50μm；
Al粉末粒径为5-50μm；
Al12Mg17化合物粉末粒径为5-50μm；
Al12Mg17化合物粉末为机械破碎法制备的不规则片状形貌；
以该含能材料的总质量为100％计算，Al12Mg17化合物粉末的质量百分含量不低于为3％，优选3％-10％，余量为Ni粉末和Al粉末的混合物，Ni粉末和Al粉末的质量比优选6.5:1。
一种Ni-Al基全金属含能材料的制备方法，该方法的步骤包括：将Ni粉末、Al粉末和Al12Mg17化合物粉末均匀混合，得到混合粉末，并将得到的混合粉末采用冷喷涂的方式制备成壳体，作为破片战斗部使用。
本发明具有如下的有益效果：首先，Ni-Al-Al12Mg17粉末仍然可以通过传统的粉末成型法快速高效地获得尺寸较大的块体全金属活性材料，不增加额外的制备工序。其次，Al12Mg17粉末作为强化相均匀分布在Al基体中，保证甚至提高了材料的力学强度。更为重要的是，Al12Mg17粉末具有优异的燃烧活性，在促进Ni-Al基体燃烧，提高材料反应放热量，燃烧速率，降低反应温度阈值等方面起到了显著的作用。本发明提出一种Ni-Al基全金属含能材料及其制备方法，在制备Ni-Al含能金属复合材料时，向其中添加适量的Al12Mg17等Al-Mg系金属间化合物组元，提高Ni-Al全金属含能材料的力学及化学释能特性。本发明的配方在保证材料制备效率的同时，可以显著降低全金属含能材料的点火温度阈值，提高活性材料的燃烧反应速度及反应效率。
附图说明
图1为本发明的含能材料的DSC-TG-DTG曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种Ni-Al基全金属含能材料，包括如下步骤：选择Al12Mg17粉末作为添加组元，与Ni、Al粉末均匀混合，采用冷喷涂方法制备Al-Ni基含能材料壳体；其中Al、Ni粉末均为球形，组元摩尔比为1:1，Al12Mg17为机械破碎法制备的不规则粉末，Al12Mg17粉末的含量为5％(质量分数)；颗粒尺寸为10-30μm。
对得到的含能材料壳体进行微观组织分析、力学性能测试和燃烧性能分析；结果为：
微观组织分析结果显示，Al12Mg17颗粒分布均匀，材料致密度约为95％，密度约为4.5g/cm3。力学方面，添加Al12Mg17后材料动态压缩强度约为380MPa，高于传统二元Ni-Al含能材料的330MPa。燃烧性能方面，如图1所示，DSC-TG-DTG结果显示，在空气气氛下，Ni-Al-Al12Mg17材料静态点火阈值较Ni-Al降低了160℃，燃烧热达到10kJ/g，自蔓延燃烧过程中，燃烧波传播速度提高50％-100％，燃烧过程更加剧烈。
综上所述，本发明的方法既克服了传统的高能球磨粉末处理导致的粉末结合力差，成型效率低，材料力学强度不足的问题，又有效地提高了Ni-Al含能基体的燃烧反应活性。同时，可以省略坯体材料冷变形处理工序，保证了Ni-Al含能材料块体的制备效率。

Claims (8)

1.一种Ni-Al基全金属含能材料，其特征在于：该含能材料包括Ni粉末、Al粉末和Al12Mg17化合物粉末；
以该含能材料的总质量为100％计算，Al12Mg17化合物粉末的质量百分含量为3％-10％；Al12Mg17化合物粉末粒径为5-50μm；
其中，Al12Mg17粉末作为添加组元，与Ni、Al粉末均匀混合，采用冷喷涂方法制备Al-Ni基含能材料壳体。
2.根据权利要求1所述的一种Ni-Al基全金属含能材料，其特征在于：Ni粉末粒径为5-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种Ni-Al基全金属含能材料，其特征在于：Al粉末粒径为5-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种Ni-Al基全金属含能材料，其特征在于：Al12Mg17化合物粉末为机械破碎法制备的不规则片状形貌。
5.根据权利要求1所述的一种Ni-Al基全金属含能材料，其特征在于：Ni粉末和Al粉末的质量比为6.5:1。
6.一种Ni-Al基全金属含能材料的制备方法，其特征在于：
将Ni粉末、Al粉末和Al12Mg17化合物粉末均匀混合，得到混合粉末，并将得到的混合粉末采用冷喷涂的方式制备成块体；
其中，以该含能材料的总质量为100％计算，Al12Mg17化合物粉末的质量百分含量为3％-10％；Al12Mg17化合物粉末粒径为5-50μm。
7.根据权利要求6所述的一种Ni-Al基全金属含能材料的制备方法，其特征在于：将制备的块体制作成壳体。
8.根据权利要求7所述的一种Ni-Al基全金属含能材料的制备方法，其特征在于：得到的壳体作为破片战斗部使用。
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