活性金属粉体的冲击压缩行为研究

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活性金属粉体在冲击加载作用下可发生化学反应生成新的产物并伴随强烈的放热过程。利用这一性质可以合成一些新材料如金属间化合物,也可将活性金属粉体用于炸药装药和战斗部材料,用于制备活性破片和活性聚能药形罩,利用其反应性和高放热性提高毁伤效果。为了使活性金属粉体能够应用于爆炸冲击与毁伤过程,需要深入研究活性金属粉体的冲击压缩行为,近年来这方面的研究越来越得到重视。本文主要以高放热的Ti+Si体系混合粉体为对象,研究在冲击加载条件下Ti+Si体系混合粉体的冲击压缩行为。不同颗粒度与化学配比的粉末混合物经球磨处理后,用不同初始压力压成具有不同密实度的粗坯,选用不同的冲击加载装置对粗坯进行冲击处理,并对回收样品进行XRD和SEM分析,重点研究不同颗粒度Ti+Si体系混合粉体的冲击压缩行为,并对反应合成的Ti-Si金属间化合物的光催化效果进行表征。对冲击引发的Ti+Si体系混合粉体的自蔓延反应过程进行了实验研究,采用探针、光纤和高速相机等多种测试手段对冲击引发的Ti+Si混合粉体自蔓延反应过程中冲击波与燃烧波的传播速度进行测量。Ti+Si体系活性粉体的冲击压缩实验结果表明,当对5Ti+3Si混合粉体的冲击加载速度为2.52km/s时,反应回收产物为原始Ti和Si颗粒,当冲击加载速度为3.07km/s时,5Ti+3Si活性粉体完全发生反应并形成预期产物Ti5Si3。当对Ti+2Si混合粉体的冲击加载速度为3.07km/s时,反应回收产物为Ti、Si和Ti5Si3,当冲击加载速度增加到3.37km/s时,Ti+2Si活性粉体完全发生反应并形成预期产物TiSi2。另外,在5Ti+3Si混合粉体中加入强氧化剂NH4ClO4时,可以合成具有良好光催化性能的复合光催化剂。5Ti+3Si活性粉体冲击引发自蔓延反应的实验结果表明,在炸药爆炸驱动飞片撞击样品的平面和柱面实验中,5Ti+3Si活性混合粉体均可以发生自蔓延反应。为了更好地对冲击激发自蔓延反应过程进行观测,选择用轻气炮驱动飞片对5Ti+3Si活性粉体混合物进行冲击加载,并利用高速相机、探针和光纤对自蔓延反应过程进行观测。实验结果表明,冲击波在样品管中以0.5-1.0km/s的速度传播并且在微秒量级内发生衰减,随后由冲击引发的自蔓延反应燃烧波在活性粉末混合物中以每秒几厘米的速度传播。针对Ti+Si、Ni+Al两种体系开展冲击压实研究,通过控制初始密实度和冲击加载强度得到不发生化学反应或很少发生化学反应,且具有很高压实度的活性金属块体。实验结果表明,5Ti+3Si活性粉末的反应阈值较低。当初始压装压力为240MPa(初始密实度61%),冲击压力为11GPa时,可以形成未发生反应并且压实度为97%的5Ti+3Si密实块体。Ni+Al粉末混合物在适中的爆炸压力4GPa作用下,可以形成没有发生反应并且压实度为100%的密实块体。
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