层厚比对Al/Ni含能结构材料力学性能及放热反应的影响

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随着国防事业的发展,传统的含能材料已经不能满足现代武器装备的综合性能要求。Al/Ni含能结构材料由于具有结构强度与能量密度的双重特性,逐渐成为当前含能材料领域的研究热点。但是目前Al/Ni含能结构材料的制备存在成本高、效率低、尺寸小等问题,无法作为原材料进行加工成形,关于其力学性能的研究也少有报道。本文通过电沉积与热压复合法制备出质量优良的大尺寸Al/Ni含能结构材料,并对材料力学性能与放热反应性能进行了系统的研究。本文首先探索了Al/Ni含能结构材料的电沉积工艺与热压工艺。通过在Al箔的两侧沉积Ni层,可以高效制备出层厚均匀的Ni/Al/Ni复合箔。将多层的Ni/Al/Ni复合箔经过裁剪、堆叠处理后放入平板硫化机中热压。选择合适的热压参数,得到总厚度在1 mm左右的Al/Ni含能结构材料,其尺寸相比于传统方法制备的材料有了明显提升,应用该方法可高效制备出尺寸在厘米级的板材。试验中分别制备了铝镍层厚比为9:4、9:6、9:8、9:10四种含能结构材料试样。分析热压后试样的组织成分,发现各层厚比试样的层间均无铝镍化合物生成。通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)对各层厚比试样的微观组织与Al、Ni原子相互扩散的情况进行研究。试验结果表明,使用电沉积与热压复合法制备的Al/Ni含能结构材料在界面处形成良好的冶金结合。其次,测试了Al/Ni含能结构材料的拉伸性能与弯曲性能并研究铝镍层厚比对其力学性能的影响。试验结果表明,材料的拉伸性能与弯曲性能均随着Ni层厚度的增加而提高。铝镍层厚比为9:10的试样具有最佳的力学性能,其抗拉强度为395.45 MPa,延伸率达到13.32%,抗弯强度为608.57 MPa。结合试样的断口形貌与EDS结果,分析铝镍层厚比对材料力学性能产生影响的原因。研究结果表明Ni层在材料的变形过程中起到缓冲层的作用且铝镍层间的协调变形可以有效阻止裂纹的萌生和扩展。最后,本文对电沉积与热压法制备的Al/Ni含能结构材料的反应性能进行探索,并研究铝镍层厚比变化对反应放热量与反应路径的影响。试验结果表明,随着材料中Ni层厚度的增加,其反应放热量明显下降。铝镍层厚比为9:4的材料的反应放热量最高,为1351.83 J/g,达到理论值的95%。经过XRD检测与热力学计算分析验证,证明在慢速加热条件下,Al/Ni含能结构材料在放热反应过程中均优先生成Al3Ni,随后Al3Ni与Ni反应生成Al3Ni2。生成的Al3Ni2继续与剩余的Ni反应生成AlNi,在Ni原子占比超过50%的材料中,还存在生成富Ni相AlNi3的反应。
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