CN112341302A - 一种以氢化钽为改性填料的反应材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以氢化钽为改性填料的反应材料及其制备方法，涉及添加填充改性填料的反应材料的技术领域。包括平均粒径为1μm‑50μm、密度为2.2g·cm‑3的PTFE，平均粒径为1μm‑50μm、密度为2.7g·cm‑3的Al粉，平均粒径为1μm‑50μm、密度为15.1g·cm‑3的HTa粉，其中HTa质量比为0％‑60％。经过湿法混合、模压、烧结后得到以氢化钽为改性填料的反应材料。本发明的反应材料具有高密度、屈服强度、高抗压强度、高能量释放率和毁伤后效，实现除对目标造成动能打击、引起物理破坏以外，还具有化学能，对目标进行双重毁伤，提高战斗部的杀伤效果。
Description
技术领域
本发明涉及添加填充改性填料的反应材料的技术领域。
背景技术
在现代战争中，随着装甲目标防护能力的升级，传统的惰性战斗部毁伤元已经越来越不能满足实际应用的需要。实践证明，简单地升级战斗部的强度来对目前进行穿透、贯穿，以期对目标进行大规模毁伤的做法，并不能满足战争的需要。因此，研究一种能够结合动能和化学能来对目标进行双重毁伤的先进技术，提高战斗部的杀伤效果。
相对于传统的含能材料，PTFE(聚四氟乙烯)基含能反应材料的强度较高，但还是比金属构件低得多，因此提高含能反应材料的力学性能尤为重要，也是其获得实用必须解决的关键技术问题之一。
金属氢化物作为一种新型的含能材料，近年来也引起了学者们的极大关注。由于其储氢密度高、化学能高、活性好等优点，被广泛应用于军事和民用领域。许多学者将金属氢化物(MgH2、TiH2、AlH3、LiH2、Mg(BH4)2等)加入到常规炸药和高能添加剂等火箭推进剂中，以提高原材料的能量密度。研究表明，当金属氢化物参与反应时，就会发生脱氢反应。此外，分解产物金属和氢气可以与其他物质发生反应，从而产生大量能量。张军研究了ZrH2为改性填料对氟聚物含能材料的力学特性与反应特性，发现当ZrH2质量分数为5％时，强度达到最大值101.01MPa，反应中观察到特殊的燃烧火焰。于钟深研究了TiH2含量对PTFE/Al的反应能、动态力学行为及冲击反应特性，发现随着TiH2含量的增加，PTFE/Al/TiH2在氧气气氛中的反应能明显增加，在TiH2含量为5％时，抗压强度最大值可达173.2MPa。于钟深研究了Al/TiH2/PTFE的准静态压缩力学与反应性能，发现随着TiH2含量的增加，Al/TiH2/PTFE的强度先增大后减小，在TiH2含量为5％时达到最大112.7MPa。
发明内容
本发明提供了一种以氢化钽为改性填料的反应材料及其制备方法。该反应材料具有高密度、屈服强度、高抗压强度、高能量释放率和毁伤后效，实现除对目标造成动能打击、引起物理破坏以外，还具有化学能，对目标进行双重毁伤，提高战斗部的杀伤效果。
一种以氢化钽为改性填料的反应材料，包括平均粒径为1μm-50μm、密度为2.2g·cm-3的PTFE，平均粒径为1μm-50μm、密度为2.7g·cm-3的Al粉，平均粒径为1μm-50μm、密度为15.1g·cm-3的HTa粉，其中HTa质量比为0％-60％。
优选的是，本发明的PTFE的平均粒径为25μm。Al粉的平均粒径为1μm。HTa粉的平均粒径为8.4μm。
优选的是，本发明的Al/HTa/PTFE的配比为26.5/0/73.5或25.2/5/69.8或23.8/10/66.2或21.2/20/58.8或18.5/30/51.5或15.9/40/44.1或13.25/50/36.75中的一组。
基于本发明的以氢化钽为改性填料的反应材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)湿法混合：称取一定组分的HTa、Al粉、PTFE于烧杯中，并加入体积为3倍材料的无水乙醇制成悬浮液，经搅拌混合均匀后放至真空烘箱中，在60℃真空干燥48h，然后将烘干后的材料经物理方法分散；
(2)模压：将步骤(1)中混合好的材料利用成型模具及液压机模压成型；其中压力为240MPa，保压时间至少20s，随着试件尺寸增大，保压时间与试件大小呈线性增加；
(3)烧结：将步骤(2)模压成型的试件置于密闭环境中放置24小时后放入真空烧结炉内，设定升温速率50℃·h-1，烧结温度320℃～390℃，烧结时间4h，降温速率50℃·h-1。
优选的是，当试件尺寸大于Φ10mm×10mm，则减小升降温速率，延长烧结时间并进行二次烧结和二次保温。
优选的是，当要求材料表现为脆性时，烧结温度为320℃～350℃。
优选的是，当要求材料具有延展性时，烧结温度在370℃～390℃。
与现有技术相比，本发明采用上述技术方案后具有如下优点：该反应材料具有高密度、屈服强度、高抗压强度、高能量释放率和毁伤后效，实现除对目标造成动能打击、引起物理破坏以外，还具有化学能，对目标进行双重毁伤，提高战斗部的杀伤效果。具有良好的力学性能和反应性能以及高密度，其中高密度可提高物理打击能力，金属氢化物具有高储氢密度，实现了添加改性材料提高含能材料性能的要求。
本发明材料在航空反导、高温-动能复合打击、未爆弹销毁、生化武器清除、水下爆破、反导、破障等应用中有巨大潜力。当作为战斗部结构件时，与常规惰性结构件相比，不仅需要提升力学性能对目标造成动能打击引起物理破坏，而且还应具有高能量释放水平，当高速弹丸或高能碎片影响目标时，反应材料会迅速反应，形成纵火、高温高压、短路目标内电子元器件的效果，并且还可省去战斗部引信结构，对目标造成机械能和化学能的双重损伤。
附图说明
图1是不同组别抗压强度变化趋势的示意图。
图2是不同组别屈服强度变化趋势的示意图。
图3是反应试件占被测试件的百分比的示意图。
图4是试样密度随着氢化钽含量变化的示意图。
具体实施方式
一种以氢化钽为改性填料的反应材料
(1)材料选择
采用的原料为：PTFE选取平均粒径25μm，密度2.2g·cm-3，粒径可在1μm-50μm之间调换。Al粉平均粒径1μm，密度2.7g·cm-3，粒径可在1nm-50μm范围内调整。HTa粉平均粒径为8.4μm，密度15.1g·cm-3，粒径可在1μm～50μm之间调整。Al/HTa/PTFE反应材料中各原料的粒径可自由组合。
(2)保证Al/PTFE零氧平衡，氢化钽为不同的质量分数。
不同组别氢化钽的质量分数为0％～60％，Al/PTFE质量分数比例采用典型的零氧平衡(完全反应)比例(26.5/73.5)。比如，Al/HTa/PTFE的配比采用26.5/0/73.5(氢化钽含量为0％)，25.2/5/69.8(氢化钽含量为5％)，23.8/10/66.2(氢化钽含量为10％)，以此类推进行配比，具体配比组合见下表。
在此配比下，Al/PTFE为反应配比。当冲击或者其他条件引发反应时，具体的反应过程为：
(-C2F4-)n→nC2F4(g)
2HTa→2Ta+H2
4Al+3C2F4→4AlF3+6C
C2F4+Ta→TaF3+C
(3)打破Al/PTFE零氧平衡，以PTFE过量，不同氢化钽含量的配方
反应材料的粒径不变，以氢化钽为改性填料的含能材料，各成分的比例以质量分数来表示：在Al/HTa/PTFE组合材料中，HTa质量比范围0％-60％，变换Al/PTFE的比例系数且系数低于26.5/73.5。得到HTa比重下在0％-60％，Al/PTFE的比例低于26.5/73.5的情况下，不同的Al/HTa/PTFE组合。
在此配比下，除了零氧平衡的反应过程，多余的PTFE与HTa充分反应，反应如下：
(-C2F4-)n→nC2F4(g)
2HTa→2Ta+H2
4Al+3C2F4→4AlF3+6C
C2F4+Ta→TaF3+C
在Al/PTFE零氧平衡下，不同氢化钽含量的配方。
Al/PTFE零氧平衡下的质量比为26.5/73.5，在零氧平衡基础上把氢化钽质量比以5％、10％、20％、30％、40％、50％进行配比，具体比例关系为：25.2/5/69.8(氢化钽含量为5％)，23.8/10/66.2(氢化钽含量为10％)，21.2/20/58.8(氢化钽含量为20％)，18.5/30/51.5(氢化钽含量30％)，15.9/40/44.1(氢化钽含量为40％)，13.25/50/36.75(氢化钽含量为50％)，以此类推进行其他配比。
配方制定好之后，按照试样制备工艺进行制备。
制备分为三步：湿法混合、模压、烧结
(1)湿法混合：按照配比方案称取HTa、Al粉、PTFE于烧杯中，并加入体积为3倍材料的无水乙醇制成悬浮液，经机械搅拌混合均匀后放至真空烘箱中，在60℃真空干燥48h，然后将烘干后的材料经物理方法分散。
(2)模压：将(1)混合好的材料利用成型模具及液压机模压成型。其中压力为240MPa，保压时间至少20s，随着试件尺寸增大，保压时间与试件大小呈线性增加。
(3)烧结：将模压成型试件置于密闭环境中放置24小时后放入真空烧结炉内，设定升温速率50℃·h-1，烧结温度360℃，烧结时间4h，降温速50℃·h-1，无需二次烧结和二次保温、无需特定热处理工艺。
上述步骤(3)中的烧结参数仅仅是举例，当试件尺寸大于Φ10mm×10mm，则减小升降温速率，延长烧结时间并进行二次烧结和二次保温；当要求材料表现为脆性时，烧结温度在320℃～350℃；当要求材料具有延展性时，烧结温度在370℃～390℃；
当试样制备好之后，还可以根据自己需求，将试样加工成想要的工件，用在不同装备、不同用途。
配方效果：
①力学性能效果：如图1可以看出不同组别的抗压强度变化，随着HTa含量的增加，抗压强度呈不断增强的趋势。如图2可以看出在HTa不同含量的各组别的屈服强度变化趋势图。
②试样的反应率(反应试件占被测试件的百分比)，如图3所示，显示了HTa含量不同的各个组别中反应试件占被测试件的百分比。
③反应的时间
HTa的加入均延长了反应时间。具体为随着HTa含量增加，反应时间变化趋势先增加后减少。
④反应产生的火焰、烟雾、声音
当万能试验机压缩应力达到试样断裂强度时，试样突然发生剧烈的化学反应，并伴有明亮的火光、爆炸声及黑烟。在反应后期，含有HTa的试样出现了类似气体燃烧火苗这一特殊现象，且这一现象随HTa含量的增加而更加显著，而不含HTa的PTFE/Al试样则无此现象。烟雾的浓度随着HTa含量的增加也更加显著。声音随着HTa含量的增加变得更深沉和音量大。
⑤材料的热值
量热分析结果表明，HTa的加入有利于提高反应材料的能量释放。
⑥材料的密度(动能)
如图3所示，在规定的比例下增加氢化钽含量，得到的试样密度随着氢化钽含量的增加而增加。
反应材料密度与动能成正比，当作为战斗部使用时，反应材料的密度越大具有的动能也越大。
应用实施例一：一种用于含能药型罩结构和未爆弹聚能销毁装置的反应活性材料配方。
材料包括氢化钽(平均粒径8μm，密度15.1g·cm-3，含氢量5490ppm)、Al粉(平均粒径1μm)、PTFE(平均粒径25μm)实验配比为：在Al/PTFE零氧平衡下，Al/HTa/PTFE配比为15.9/40/44.1。
制备工艺按照具体实施方式中的进行制备，其中由于试样较大，模压时间为6min，模压压力为360MPa。烧结时升降温速率为40℃·h-1，烧结温度370℃，保温时间6h。将烧结好的试样经过机加工做成标准件。此配比具有最高的抗压强度和较好的屈服强度，和较高的反应特性，可应用于含能药型罩结构，提升对装甲车辆的毁伤作用，也可用于未爆弹聚能销毁装置。
应用实施例二：一种用于预制破片战斗部结构的反应活性材料配方。
材料包括氢化钽(平均粒径8.4μm，密度15.1g·cm-3，含氢量5490ppm)、Al粉(平均粒径1μm)、PTFE(平均粒径25μm)实验配比为：在Al/PTFE零氧平衡下，Al/HTa/PTFE配比为13.25/50/36.75。
制备工艺按照具体实施方式中的进行制备，其中由于试样不大，模压时间为2min，模压压力为240MPa。烧结时升降温速率为50℃·h-1，烧结温度360℃，保温时间4h。再将烧结好的试样经过机加工做成标准件。当氢化钽配比为50％时，具有最高的能量密度和最高的屈服强度最低的失效应变和良好的抗压强度，可应用于预制破片战斗部结构，对毁伤非装甲车辆及飞行器具有优异的性能。
Claims (9)
1.一种以氢化钽为改性填料的反应材料，其特征在于包括平均粒径为1μm-50μm、密度为2.2g·cm-3的PTFE，平均粒径为1μm-50μm、密度为2.7g·cm-3的Al粉，平均粒径为1μm-50μm、密度为15.1g·cm-3的HTa粉，其中HTa质量比为0％-60％。
2.根据权利要求1所述的以氢化钽为改性填料的反应材料，其特征在于上述PTFE的平均粒径为25μm。
3.根据权利要求1所述的以氢化钽为改性填料的反应材料，其特征在于上述Al粉的平均粒径为1μm。
4.根据权利要求1所述的以氢化钽为改性填料的反应材料，其特征在于上述HTa粉的平均粒径为8.4μm。
5.根据权利要求1所述的以氢化钽为改性填料的反应材料，其特征在于上述Al/HTa/PTFE的配比为26.5/0/73.5或25.2/5/69.8或23.8/10/66.2或21.2/20/58.8或18.5/30/51.5或15.9/40/44.1或13.25/50/36.75中的一组。
6.基于权利要求1所述的以氢化钽为改性填料的反应材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)湿法混合：称取一定组分的HTa、Al粉、PTFE于烧杯中，并加入体积为3倍材料的无水乙醇制成悬浮液，经搅拌混合均匀后放至真空烘箱中，在60℃真空干燥48h，然后将烘干后的材料经物理方法分散；
(2)模压：将步骤(1)中混合好的材料利用成型模具及液压机模压成型；其中压力为240MPa，保压时间至少20s，随着试件尺寸增大，保压时间与试件大小呈线性增加；
(3)烧结：将步骤(2)模压成型的试件置于密闭环境中放置24小时后放入真空烧结炉内，设定升温速率50℃·h-1，烧结温度320℃～390℃，烧结时间4h，降温速率50℃·h-1。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于当试件尺寸大于Φ10mm×10mm，则减小升降温速率，延长烧结时间并进行二次烧结和二次保温。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于当要求材料表现为脆性时，烧结温度为320℃～350℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于当要求材料具有延展性时，烧结温度在370℃～390℃。
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