含能结构材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于新材料技术领域，尤其涉及一种含能结构材料及其制备方法和应用。

背景技术：

高效毁伤是远程精确打击的根本目的，目前武器的毁伤主要依靠以传统弹药为核心的战斗部，因此发展高毁伤弹药是提升远程精确打击武器的核心任务之一。传统战斗部主要由金属壳体、炸药以及相应的结构部件等组成，炸药是战斗部毁伤目标的能源，为提高战斗部的毁伤威力，一般采用提高炸药装填量和单位质量炸药能量的方式来实现，由于受到使用条件以及材料水平的限制，炸药的装填量存在极限，而炸药能量密度的提高也十分困难。此外，炸药能量释放与转换过程中毁伤元所获得的能量是炸药全部能量的一小部分，炸药装填量或能量密度的稍许提高并不一定能带来对目标毁伤效果的大幅度提升。因此，战斗部毁伤效能的提高需要拓展新的技术途径。

常见条件下稳定性高，但高速撞击可引发组分间放热反应的含能材料常称为反应材料（Reactive Materials，RMs），有高力学性能的反应材料称为反应结构材料或含能结构材料。采用含能结构材料制成战斗部的破片、药型罩以及壳体结构等部件，在炸药爆炸驱动下形成毁伤元，通过爆炸加载、高速冲击等方式给毁伤元施加反应所需的临界能量，促使其自身组元之间或者组元与环境之间发生反应二次释能，可实现对目标的引燃、引爆毁伤。含能结构材料在弹药中的应用是提高现有弹药性能的一种新途径（徐松林，阳世清，张炜等， PTFE/Al反应材料的力学性能研究。高压物理学报，2009，23(5): 384~388. 杨益，郑颖，王坤， 高密度活性材料及其毁伤效应进展研究，兵器材料科学与工程. 2013, 36(4): 81-85。宋磊，李宝锋，陈皓，美海军演示用“高密度活性材料”提高战斗部爆炸威力，装备参考. 2011，49：32-33.）。

含能结构材料在使用时承受的外力主要有炸药驱动时的压应力、飞行卸载时的拉应力、冲击减速时的压应力和穿透目标卸载时的拉应力，因此含能结构材料一般需要具有以下特征：（1）具有足够高的强度，一方面确保材料可以作为结构件如战斗部壳体使用，另一方面确保在爆炸驱动和侵彻目标过程中的完整性；（2）具有合适的反应潜热和潜热释放能力，保证高速撞击时的能量释放特性；（3）适中的密度，确保材料必备的侵彻性能。

为了获取满足上述要求的含能结构材料，申请号为201510733993.8的中国专利提出了一种含能材料的制备方法，该方法利用模压、烧结成型的方法制备含能结构材料，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。但该类材料拉伸强度较低，一般不超过30MPa。

专利号为201410176443.6的中国专利提出了一种含能结构材料，该材料由Al粉、KClO₃粉和W粉三种粉末混合压制而成，材料在爆炸加速过程中足够钝感不发生反应，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。但该材料采用混粉后冷压成型，材料强度主要靠粉末之间的机械啮合力，强度较低。

申请号为201610044485.3的中国专利提出了一种含能结构材料破片，该材料由纳米铝粉、过渡金属氧化物、氧化剂、二茂铁、猛炸药和混合粘结剂混合后冷压成型得到，利用该材料制备的含能破片能量密度高、安全性能好、容易引发且纵火能力强，在炸药驱动时不会立即反应，但侵彻过程中可以发生强烈的化学反应并放出极高的热量，且能生成高温炽热的、具有流动性的反应产物。该材料的强度主要由粘结剂来决定，强度仍然较低。

专利号为201110440556.9的中国专利和申请号为201510606975.3的中国专利提出了二种制备钨锆合金含能结构材料的方法，利用该方法制备出的材料具有相对较好的力学性能，但该材料主要靠锆元素与环境中的氧气作用释放出能量，潜热释放能力较差，因此对燃油的引燃和炸药的引爆效果一般，需要在特定的条件下才有可能。

由此可见，目前公开报道含能结构材料的综合性能距离实际需求还具有一定的距离。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高强度、高反应潜热和良好的冲击反应特性的含能结构材料，还相应提供一种材料组分间无不良化学反应的上述含能结构材料的制备方法，另外，还提供该含能结构材料在战斗部中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

种含能结构材料，包括以下质量分数的组分：

铝或铝合金 10%～60%

高密度金属　 　35%~89.5%，和

金属氧化物 0.5%～5.0%；

其中，铝或铝合金为连续基体相，高密度金属和金属氧化物均匀分布在所述连续基体相中。

上述的含能结构材料，优选的，所述高密度金属为Ni、W、Ta、Hf、Ti和Zr中的一种或几种。

上述的含能结构材料，优选的，所述金属氧化物为Fe₂O₃、Fe₃O₄、PbO、CuO、MnO₂、WO₃、Bi₂O₃和MoO₃中的一种或几种。

上述的含能结构材料，优选的，所述高密度金属为Ni、W或Ta中的一种或几种。

上述的含能结构材料，优选的，所述金属氧化物为WO₃或MoO₃。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的含能结构材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）混料：根据含能结构材料的配方，将铝粉、高密度金属粉末、和金属氧化物粉末进行混合，得到混合粉末；

（2）预成型：对混合粉末进行冷压，得到预成型体；

（3）烧结：对预成型体进行烧结，得到块状含能结构材料。

上述的含能结构材料的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述混合粉末的粒度为0.1μm～50μm；所述步骤（2）中，所述冷压压力为100MPa～600MPa，时间为1min～10min。

上述的含能结构材料的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，所述烧结包括常压烧结和热压烧结。

上述的含能结构材料的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，所述烧结的温度为300℃～600℃，保温时间为0.5h～3h；所述热压烧结的压力为100MPa～600MPa。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的含能结构材料或上述的含能结构材料的制备方法所制备的含能结构材料在战斗部中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的含能结构材料，与现有的含能结构材料相比，是一种金属型的含能结构材料，材料中金属组分含量在95%以上；材料中铝或铝合金为连续基体相，其它高密度金属颗粒及金属氧化物颗粒均匀分布在铝基体相中，具有一定的强化作用，保证材料具有高的强度。为了使铝在成形过程中形成连续基体相从而使该含能结构材料具有高的强度，材料中低密度Al的质量含量在10%～60%之间；另外，添加了0.5～5.0wt%的金属氧化物，该范围内的金属氧化物含量对材料强度影响较小，可以在不明显改变材料强度的情况下，改变材料的冲击反应特性，使得该含能结构材料具有良好的冲击反应特性。优选地，通过调整材料的组分特别是重金属元素W、Ta和Hf的含量，可以在一定范围内改变材料的密度，满足不同应用场合的需要。

2、本发明的含能结构材料，由于主要组分均为具有高燃烧热值的元素，因而具有很高的反应潜热。在冲击载荷的作用下，除了发生材料组分之间的化学反应，如Al和Ni反应生成AlNi、Al₃Ni₂和Al₃Ni，Al和CuO反应生成Cu和Al₂O₃等之外，如果环境中有氧气，还会发生材料组分与氧气之间的化学反应，如Al和O₂反应生成Al₂O₃、Zr和O₂反应生成ZrO₂等，在这些过程中释放出大量的热量。

3、试验表明，铝或铝合金的含量、成形压力、成形度和保温时间都对含能结构材料的强度有较大的影响。本发明的含能结构材料的制备方法，通过严格控制成形工艺，确保了成形后材料具有尽可能高的强度，且材料中各组分之间没有不良化学反应产生，无其它相生成。

附图说明

图1为本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料的XRD图谱。

图2为本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料的断口SEM图。

图3为本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料的拉伸曲线。

图4为本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料在约900m/s撞击速度下的冲击反应照片。

图5为对比例1的未添加金属氧化物Ni-Al含能结构材料在约900m/s撞击速度下的冲击反应照片。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的Ni-Al含能结构材料，包括Al、Ni和金属氧化物MoO₃，Al、Ni和MoO₃的质量比为48∶50∶2，其中，铝为连续基体相，Ni和MoO₃均匀分布在铝基体相中。

一种上述本实施例的Ni-Al含能结构材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）混料：按照Al粉、Ni粉和MO₃粉质量比为48∶50∶2的比例分别称取Al粉240g、Ni粉250g和MoO₃粉10g，将称好的各种粉末在球磨机中混合均匀，所得混合粉末的粒径为0.5μm ~20μm；

（2）预成形：称取混合粉末200g，均匀铺设在凹模的底层，然后通过凸膜对铺设的粉末施加300MPa的压力并保压3min，卸压；

（3）烧结：将上述模具及模内的预成形体按5℃/min升温速率升至380℃，恒温90min后再施加400MPa的压力并恒压5min，脱模，得到Ni-Al含能结构材料。

图1为本实施例的Ni-Al含能结构材料的XRD图谱，由图可知，该Ni-Al含能结构材料的主要由金属Ni和Al组成，没有Ni-Al间金属间化合物相的存在。另外由于材料中MoO₃的含量较少，因此也没有观察到MoO₃衍射峰的存在。

图2为本实施例的Ni-Al含能结构材料的断口SEM图，可以看出，块状的连续基体相为Al， Ni颗粒及金属氧化物MoO₃颗粒均匀分布在铝基体相中。

图3为本实施例的Ni-Al含能结构材料的拉伸曲线，由图可知，该Ni-Al含能结构材料的拉伸强度约为230MPa，远大于PTFE/Al类含能结构材料（不超过30MPa）。

另外，经测算，该Ni-Al含能结构材料的密度约为4.10g/cm³，高燃烧热值元素Al和Ni的质量含量约为96%。

对比例1：

本对比例的Ni-Al含能结构材料制备方法与实施例1相同，其不同点仅在于：材料中不包括金属氧化物MoO₃。

图4为本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料在约900m/s撞击速度下的冲击反应照片；图5为对比例1的未添加金属氧化物Ni-Al含能结构材料在约900m/s撞击速度下的冲击反应照片。对照图4和图5可知，实施例1中添加金属氧化物MoO₃的Ni-Al含能结构材料在900m/s撞击速度下具有很大的反应火光面积，而对比例1中未添加金属氧化物MoO₃的Ni-Al含能结构材料在相同撞击速度下反应火光面积非常小，显示出本发明实施例1的Ni-Al含能结构材料具有良好的冲击反应特性。

实施例2：

一种本发明的Ni-Al-W含能结构材料，包括Al、高密度金属Ni和W，以及金属氧化物MoO₃、WO₃，Al、Ni、W、MoO₃和WO₃的质量比为17∶19∶60∶2∶2，其中，铝为连续基体相，Ni、W、MoO₃和WO₃均匀分布在铝基体相中。

（1）混料：按照Al粉、Ni粉、W粉、MoO₃和WO₃粉质量比为17∶19∶60∶2∶2的比例分别称取Al粉85g、Ni粉95g、W粉300g、MO₃粉10g和WO₃粉10g，将称好的各种粉末在球磨机中混合均匀，所得混合粉末的粒径为0.5μm ~20μm；；

（2）预成型：称取混合粉末200g，均匀铺设在凹模的底层，然后通过凸膜对铺设的粉末施加300MPa的压力并保压3min，卸压；

（3）烧结：将上述模具及模内的预成型体按5℃/min升温速率升至400℃，恒温90min后再施加400MPa的压力并恒压5min，脱模，得到Ni-Al-W含能结构材料。

所述含能结构材料中高燃烧热值元素Al和Ni的质量含量约为37%，密度约为8.0g/cm³，拉伸强度约为210MPa。

实施例3：

一种本发明的Al-W-Ta含能结构材料，包括Al、高密度金属W和Ta，以及金属氧化物WO₃，Al、W、Ta和WO₃的质量比为20∶34∶43∶3，其中，铝为连续基体相， W、Ta和WO₃均匀分布在铝基体相中。

（1）混料：按照Al粉、W粉、Ta粉和WO₃粉质量比为20∶34∶43∶3的比例分别称取Al粉100g、W粉170g、Ta粉215g和WO₃粉15g，将称好的各种粉末在球磨机中混合均匀，所得混合粉末的粒径为0.5μm ~50μm；

（2）预成型：称取混合粉末200g，均匀铺设在凹模的底层，然后通过凸膜对铺设的粉末施加400MPa的压力并保压3min，卸压；

（3）烧结：将上述模具及模内的预成型体按5℃/min升温速率升至480℃，恒温90min后再施加500MPa的压力并恒压5min，脱模，得到Al-W-Ta含能结构材料。

所述含能结构材料中高燃烧热值元素Al和Ta的质量含量约为63%，材料的密度约为8.05g/cm³，拉伸强度约为280MPa。

实施例4：

一种本发明的Al-Ni-Ta-Zr含能结构材料，包括Al、高密度金属Ni、Ta和Zr，以及金属氧化物WO₃，Al、Ni、Ta、Zr和WO₃的质量比为32∶14∶43∶10∶1，其中，铝为连续基体相，Ni、Ta、Zr和WO₃均匀分布在铝基体相中。

（1）混料：按照Al粉、Ni粉、Ta粉、Zr粉和WO₃粉质量比为32∶14∶43∶10∶1的比例分别称取Al粉160g、Ni粉70g、Ta粉215g、Zr粉50g和WO₃粉5g，将称好的各种粉末在球磨机中混合均匀，所得混合粉末的粒径为0.5μm ~50μm；

（2）预成型：称取混合粉末200g，均匀铺设在凹模的底层，然后通过凸膜对铺设的粉末施加400MPa的压力并保压3min，卸压；

（3）烧结：将上述模具及模内的预成型体按5℃/min升温速率升至400℃，恒温90min后再施加500MPa的压力并恒压5min，脱模，得到Al-Ni-Ta-Zr含能结构材料。

所述含能结构材料中高燃烧热值元素Al、Ni、Ta和Zr的质量含量约为99%，材料的密度约为5.35g/cm³，拉伸强度约为200MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。