可泄压式爆炸烧结纳米铝棒的装置及方法与流程

本发明涉及粉末爆炸烧结装置，具体涉及一种可泄压式爆炸烧结纳米铝棒的装置。

背景技术：

爆炸烧结纳米合金粉末是利用炸药爆轰产生的激波作用于粉末表面，在极短的时间内在颗粒表面发生高温热熔、高压烧结成型的一种材料加工技术。与传统的热压烧结和热等静压烧结等方法相比，爆炸烧结纳米合金粉末有着其独特的优点。(1)具备高压性，可以烧结出近乎密实的材料。目前有关非晶钴基合金、微晶铝及其合金的烧结密度已超过99％的理论密度；(2)具备快熔快冷性，有利于保持粉末的优异特性。由于激波加载的瞬时性，爆炸烧结时颗粒从常温升至熔点温度所需的时间极短，通常为微秒级，这使温升仅限于颗粒表面，而颗粒内部仍然保持低温状态，形成“烧结”后将对界面起冷却“淬火”作用，这种机制可以防止晶粒“长大”，使其具有晶粒小，分布均匀的物理特性，因此可以保持其在纳米颗粒状态下材料的优异特性，如较高的强度、硬度、磁学性能和耐腐蚀性等。

目前，陈鹏万，周强等人在专利号为201210096266.1的发明专利中公开了一种分体式高温预热粉体爆炸烧结装置，主要通过高温预热方式去除粉末中气体这一方式，但装置在预热过程中，粉末颗粒可能发生团聚现象，对材料的晶粒结构，力学性能具有很大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可泄压式爆炸烧结纳米铝棒的装置及方法，该装置及方法可以制备微观结构为纳米级的高强度铝棒。

为实现本发明的目的提供技术方案如下：

一种可泄压式纳米铝棒爆炸烧结的装置及方法，该装置包括上端堵头、包套、打击管、外套管、泄压片和基座；上端堵头、包套、打击管和基座相互紧密配合，形成柱状密闭容器，包套和打击管之间存在间隙，外套管和打击管之间的间隙用来盛装炸药，外套管顶部中心位置固定传爆药柱和雷管，其特征在于，该装置的基座上设有泄压结构，其中，基座的顶部中心设有用于压缩粉末中气体的凹槽，且基座顶部依次设有泄压片、垫片；此外，上端堵头的顶端设置为传爆过程中用于稳压的锥形结构。

进一步的，包套、打击管、上端堵头及基座为45#钢，外套管为pvc工程塑料。

本发明的烧结纳米铝棒的方法具体步骤如下：

(a)组装好包套，打击管和基座，与纳米铝粉及上端堵头一起放入充满保护气氛的密闭手套箱内；

(b)在包套内均匀加入纳米铝粉，压实，并盖上上端堵头；

(c)从手套箱内取出烧结装置；

(d)将烧结装置与外套管组装好，并在其中加入低爆速炸药；

(e)启动雷管触发药柱起爆低爆速炸药，打击管在爆炸力作用下打击包套，压实纳米铝粉，获得纳米铝棒；

(f)切割打击管和包套，获得所需的纳米铝棒。

进一步的，步骤(b)中，铝粉填装密实度达到40％-60％。

进一步的，步骤(d)中所述的药层厚度l4为13.5mm。

本发明中采用的低爆速炸药为粉状铵梯炸药，且装药密度为0.9g/cm³。该粉状铵梯炸药的粒径在1～2μm之间。

本发明中的铝粉颗粒的尺寸在60～140nm之间，烧结后的铝棒的晶粒尺寸主要集中在60～500nm之间，有极少部分晶粒团聚成大颗粒。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明的产物为晶粒尺寸达到纳米级的铝棒，粒径分布较窄。

(2)本发明采用爆炸烧结技术，一次成型，工业简单，可以实现工业化生产。

(3)本发明使用的驱动炸药为铵梯炸药，价格便宜，来源广泛。

(4)本发明使用的堵头、包套和打击管结构简单，采用普通不锈钢材即可，价格

便宜同时加工方便。

附图说明

图1是本发明可泄压式纳米铝棒爆炸烧结的装置的结构示意图；

图2是本发明中纳米铝粉的sem图；

图3是本发明中纳米铝粉的粒径分布图；

图4是本发明中烧结棒产物的实物图；

图5是本发明中烧结棒产物的金相显微镜图像；

图6是发明中烧结棒产物的扫描电镜图。

其中，1、雷管；2、传爆药柱；3、低爆速炸药；4、上端堵头；5、打击管；6、包套；7、纳米铝粉；8、外套管；9、泄压片；10、垫片；11、凹槽；12、基座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明是通过以下装置来实现：

一种可泄压式纳米铝棒爆炸烧结的装置，该装置包括上端堵头4、包套6、打击管5、外套管8、泄压片9和基座12；上端堵头4、包套6、打击管5和基座12相互紧密配合，形成柱状密闭容器，包套6和打击管5之间存在间隙，基座中心有用于压缩粉末中气体的凹槽11，外套管8和打击管5之间的间隙用来盛装炸药，外套管顶部中心位置固定传爆药柱2和雷管1。基座12上设有泄压结构，其中，基座12的顶部中心设有用于压缩粉末中气体的凹槽11，且基座12顶部依次设有泄压片9、垫片10；此外，上端堵头4的顶端设置为传爆过程中用于稳压的锥形结构

其中，上端堵头4由一个圆锥和两个圆柱体构成，分别为倾角×直径尺寸为：45°×45mm，直径×高尺寸为：41×10mm及直径×高尺寸为：26×10mm的圆柱体；包套6的外径×厚度×高尺寸为：30×2×160mm；打击管5的外径×厚度×高尺寸为：45×2×180mm；泄压片9的直径×厚度尺寸为：26×0.2mm；开孔垫片10的外径×内径×厚度尺寸为：26×2×1mm；基座12由两个圆柱体构成，直径×高尺寸为：26×10mm及直径×高尺寸为41×10mm；基座12中的凹槽11的直径×高尺寸为：10×13mm；外套管8的外径×厚度×高尺寸为：75×1.5×220mm。

上端堵头4顶部为锥形，以便使爆轰波沿着轴向稳定传播，包套6为盛装纳米铝粉7的容器，打击管5为包套6外的一层钢管，用来传递爆轰波的轴向传播，而打击管5与包套6的间隙则起到缓冲爆轰波，使其稳定传播的作用，外套管8与打击管5之间存放炸药，底部的基座12用来固定包套6和打击管5，同时隔绝空气，基座12中心开空心凹槽12，上端存在开孔垫片和薄铁片，雷管1和药柱2固定在装置顶端。采用低爆速炸药4驱动挤压打击管5，冲击包套6，形成稳定的轴向冲击波挤压摩擦纳米铝粉7，使其烧结成具有纳米结构的铝棒，基座12上的泄压片9在受到压实过程中粉末颗粒间的气体冲击时破裂，通过垫片10的中心孔传递到基座的凹槽12内，形成高压气体，可以有效防止中心孔的产生以及粉末的抛洒。

实施例

本发明采用纳米铝粉7的平均粒度为100nm，采用的低爆速炸药3为粉状铵梯炸药，其粒径为1.5μm，按照如下步骤进行制备纳米铝棒

(a)组装好包套6，打击管5和基座12，与纳米铝粉7及上端堵头4一起放入充满保护气氛的密闭手套箱内；

(b)在包套6内均匀加入100g纳米铝粉7，压实，铝粉填装密实度达到40％-60％，并盖上上端堵头4；

(c)从手套箱内取出爆炸烧结装置；

(d)将爆炸烧结装置与外套管8组装，并在外套管8管内加入低爆速炸药3，装药密度为0.9g/cm³；

(e)启动雷管1触发药柱2起爆低爆速炸药3，打击管5在爆炸力作用下打击包套6，压实纳米铝粉7，获得纳米铝棒；

(f)切割打击管5和包套6，获得所需的纳米铝棒。

本实施例制得的纳米铝棒的实物如图4所示，纳米铝棒的维氏硬度为120kgf/mm2，其硬度达到了传统工业制备铝棒硬度的4倍以上，如图5所示，可以看出制得的纳米铝棒的微观结构均匀，如图6所示，制得纳米铝棒的粒径均在200nm以内，致密度较高。