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NbZrTiTa高熵合金的组织结构演变及结构释能特性研究

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NbZrTiTa高熵合金的组织结构演变及结构释能特性研究

作者：王睿鑫国防科技大学

学位级别：硕士

由多种金属元素以等比或近等比组成的高熵合金,因具有简单固溶体结构、原子化学占位无序和微结构纳米化等特点而展现出一系列优异的性能。其中,由难熔金属元素组成的难熔高熵合金具有高强度和高能量密度特性,有望成为解决现有结构释能... 详细信息

由多种金属元素以等比或近等比组成的高熵合金,因具有简单固溶体结构、原子化学占位无序和微结构纳米化等特点而展现出一系列优异的性能。其中,由难熔金属元素组成的难熔高熵合金具有高强度和高能量密度特性,有望成为解决现有结构释能材料在高强度和高能量释放上无法兼具问题的突破,但塑性和撞击破碎率上的不足制约了其在结构释能材料领域的应用。针对此问题,本文借鉴亚稳态工程概念,提出在单相均匀亚稳的NbZr TiTa高熵合金中原位诱发相变增塑(TRIP)效应,对合金亚稳单相固溶体结构的形成规律,及其在不同加载速率下的组织结构、力学性能和释能特性的演变规律等方面进行研究,取得了如下成果。(1)通过改变电弧熔炼过程中的熄弧电流,实现对Nb ZrTiTa合金组织结构的有效控制。增大熄弧电流,提高冷却速度和凝固过冷度,减少元素扩散和重排时间,一方面促使高温结构在室温下保留,形成元素分布和组织结构均匀的单相固溶体结构;另一方面,使合金处于热力学亚稳态并在存在大量位错。(2)在静态加载下,位错管道扩散效应和组分间强分离驱动力促使元素扩散发生,在形成富TiZr区和富TaNb区的同时,还改变了合金内部各区域的热力学稳定性和固溶度,进而引发结构转变和过饱和固溶体形成,产生TRIP效应、界面强化和沉淀强化,使铸态NbZrTiTa高熵合金的静态压缩强度和断裂应变分别达到1.33GPa和18.5%,塑性高于已报道的所有高强难熔高熵合金体系。(3)在动态加载下,结构转变引发的TRIP效应在促使变形均匀化的同时还诱发了均匀的晶粒细化。两者共同作用,一方面提高了绝热剪切带产生的应变率阈值;另一方面产生界面强化和细晶强化。最终,铸态NbZrTiTa高熵合金在高应变速率下同时表现出高强度和高塑性,其在6500 s应变率下的断裂应变大于103%。(4)铸态Nb ZrTiTa高熵合金的动态高塑性和高绝热剪切带产生应变率阈值,避免了高速侵彻过程中的提前破碎并发生积累大量的应变能,实现了高破碎率和高释能率。铸态NbZrTi Ta高熵合金在1200m/s侵彻速度下,在27L密闭靶箱中产生的准静态超压达到0.18MPa,可实现对人员的有效杀伤。(5)Al的加入加剧了NbZrTiT合金体系组元间的不相容性,促使铸态NbZrTiTaAlx(x=0.1-0.4)合金出现调幅分解,降低了材料塑性。但由于阻氧的氧化铝层的形成以及组织不均匀性导致的绝热剪切带产生阈值应变率降低,NbZrTiTaAlx合金并没有表现出高于NbZrTiTa合金的能量释放效率。

关键词：高熵合金结构释能材料组织结构力学性能含能特性亚稳态工程 TRIP效应

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含氟聚合物基反应含能材料研究

应用化工 2019年第9期48卷 2208-2213页

作者：王新新张泽宇陈晓勇熊继军杜拴丽中北大学化学工程与技术学院山西太原030051 中北大学仪器与电子学院山西太原030051

系统梳理了含氟聚合物基反应含能材料常见制备成型手段、用于反应含能材料的含氟聚合物种类、含氟聚合物在含能材料中的典型应用;重点综述了含氟聚合物基反应含能材料的含能化学反应机制、含能特性和实践运用。最后展望了含氟聚合物基... 详细信息

系统梳理了含氟聚合物基反应含能材料常见制备成型手段、用于反应含能材料的含氟聚合物种类、含氟聚合物在含能材料中的典型应用;重点综述了含氟聚合物基反应含能材料的含能化学反应机制、含能特性和实践运用。最后展望了含氟聚合物基反应含能材料的发展方向与待突破的关键技术。

关键词：含氟聚合物反应含能材料反应机理含能特性

HfZrTiTax高熵合金含能结构材料的组织结构与力学性能研究

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HfZrTiTax高熵合金含能结构材料的组织结构与力学性能研究

作者：张周然国防科技大学

学位级别：硕士

含能结构材料通过“动能侵彻”和“化学能释放”造成的二次毁伤可以实现对目标的高效毁伤。而现有的含能结构材料强度不够高且综合力学性能较差,作为结构件使用时无法满足复杂外力要求。高熵合金是近年材料领域的研究热点和前沿领域,而... 详细信息

含能结构材料通过“动能侵彻”和“化学能释放”造成的二次毁伤可以实现对目标的高效毁伤。而现有的含能结构材料强度不够高且综合力学性能较差,作为结构件使用时无法满足复杂外力要求。高熵合金是近年材料领域的研究热点和前沿领域,而难熔高熵合金由于力学性能优异、比重大、良好化学活性和成分设计上的灵活性和适应性,是潜在的穿甲和高效毁伤材料。本文设计并采用真空电弧熔炼制备了HfZrTiTa(x=0.16、0.33、0.53、0.75、1.00和1.29)四元高熵合金(分别简记为Ta、Ta、Ta、Ta、Ta和Ta合金);采用XRD、光学显微镜、SEM和TEM等方法研究了Ta含量对组织结构的影响;采用准静态力学实验和分离式霍普金森杆实验研究了合金在较低及较高应变率下力学性能和变形断裂行为;采用弹道实验研究了合金在高速撞击下含能特性;特别是动态力学性能和弹道实验研究对于发展高效毁伤结构含能材料和新型穿甲材料有参考意义。Ta含量对HfZrTiTa合金的组织结构影响显著。铸态条件下,Ta和Ta合金为HCP+BCC双相,Ta、Ta、Ta和Ta合金为BCC单相,表明Ta在该体系中具有稳定BCC相的作用。Ta合金形成由位错缠结和低密度位错片状组织组成的无规则网篮组织,Ta合金在等轴晶界附近析出大量片状第二相;Ta、Ta、Ta和Ta合金形成BCC相等轴晶粒,并具有典型Spinodal分解组织形貌的编织调制组织,且随Ta含量增大,Spinodal分解组织的调幅波长减小,富Ta和贫Ta两相的元素组成差异增大。HfZrTiTa合金热稳定性不佳,退火后,Ta和Ta合金晶体结构无显著变化,而Ta、Ta、Ta和Ta合金从BCC单相转化为HCP+BCC双相,且Ta含量增加使BCC相体积分数逐渐超过HCP相并最终占据主导地位。准静态加载下,Ta和Ta合金具有高强度和良好塑性,其抗压强度分别为1394MPa和1314MPa;断裂变形率分别为10.6%和14.1%。Ta合金的高强度来源于严重晶格畸变带来的固溶强化与位错缠结片状组织对位错运动的阻碍作用,良好塑性则来源于片状组织相互作用带来的协调变形;Ta合金的高强度主要来源于固溶强化,良好塑性来自基体内大量亚晶界协调变形。在调幅分解强化作用下,Ta、Ta和Ta合金的屈服强度依次上升,Ta的屈服强度达到1835MPa。动态加载下,Ta、Ta和Ta合金具有高强度和良好塑性,动态抗压强度分别为1723MPa、1658MPa和2021MPa;断裂变形率为12.4%、12.4%和8.8%。Ta合金高强度和充足塑性优于目前报道的大多数钛合金、高熵合金、块体非晶和非晶复合材料;其强度接近现有常用高侵彻战斗部壳体材料。由于组成元素热导率低以及严重晶格畸变,合金的热导率较低,不利于动态塑性变形中热量的释放,合金易于发生热塑性失稳,且具有较高的绝热剪切敏感性。脆性合金基体碎裂程度和绝热剪切带条数远高于塑性较好的合金,显示前者具有更高的绝热剪切敏感性。由于晶界处第二相生成导致应力集中,脆性合金裂纹和绝热剪切带大多沿晶界生成和发展,且绝热剪切带频繁分叉和交织。韧性合金基体内存在一条主要绝热剪切带与裂纹相连,其分别通过无规则片状组织协调变形、亚晶界变形、晶粒碎化和滑移带的生成来协调塑性变形。高速撞击下,具有高理论燃烧热值的HfZrTiTa合金均与空气发生剧烈反应并释放大量能量;塑性越差、合金破碎越彻底,释放能量越剧烈。Ta、Ta和Ta合金具有强度高、塑性好、绝热剪切敏感性低和高含能等优良特性,可以在撞击释能前保持结构稳定,有望制成高强含能结构壳体,替代传统的钢制战斗部壳体,显著增强导弹等打击武器的毁伤威力。而Ta和Ta合金具有强度高、密度高、高含能和绝热剪切敏感性高等特点,高速撞击时有利于产生自锐效应,提升穿甲能力,进而实现目标的高效毁伤。

关键词：高熵合金组织结构力学性能高应变率含能特性

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新型含铝纳米复合含能材料研究

新型含铝纳米复合含能材料研究

作者：王新新中北大学

学位级别：硕士

由于能极大增加含能材料反应组分间接触、降低传热、传质距离和反应障碍,进而提升反应活性、改善点火延迟和增加做功效率,Al基纳米含能材料得到了广泛关注。为紧跟国防科技前沿和发展新型纳米含能材料,我们研究开发了nAl/全氟磺酸离子... 详细信息

由于能极大增加含能材料反应组分间接触、降低传热、传质距离和反应障碍,进而提升反应活性、改善点火延迟和增加做功效率,Al基纳米含能材料得到了广泛关注。为紧跟国防科技前沿和发展新型纳米含能材料,我们研究开发了nAl/全氟磺酸离子聚合物(PFSA)纳米复合含能材料和nAl/二维(2D)WO纳米复合含能材料两类新型Al基纳米复合含能材料。首先,本文使用超声混合法制备了nAl/PFSA纳米复合含能材料。使用扫描电子显微镜镜(SEM)表征发现Al/PFSA复合含能材料的分散性要优于Al/聚四氟乙烯(PTFE)纳米复合含能材料;热分析(DSC)结果显示nAl/PFSA体系的反应放热2675 J/g,远高于nAl/PTFE体系的961.8 J/g,起始反应温度370℃也远低于nAl/PTFE体系的463.8℃;Al/PFSA复合含能材薄膜的拉伸测试显示其具有一定的力学强度;高速摄影测试Al/PFSA复合含能薄膜的燃烧性能,结果表明:nAl/PFSA薄膜的燃烧较为稳定,燃烧速度约为2.04cm/s。接着,本文结合二维材料(2D)材料热点提出了2D含能材料概念,并实现了纳米Al/2D WO纳米复合含材料制备、表征。采用常用的溶剂热法制备了2D WO纳米片,使用X射线衍射光谱(XRD)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)测试其晶体结构、微观形貌。将所得2D WO作为氧化剂,采用超声混合法制备了Al/2D WO纳米复合含能材料,SEM结果显示nAl和2D WO分散较好。测试其热反应特性,发现反应机制主要为固相反应,固相反应阶段放热为1415.9 J/g,达理论反应热的48.8%(2900 J/g),高于nAl/常规纳米WO体系的1209 J/g,我们的结果表明,采用2D WO与纳米Al混合制备的纳米复合含能材料明显的降低了反应的活化能、增加了反应速率。最后,使用自制光电燃速装置、自制小型密闭爆发器测试Al/2D WO复合含能材料线性燃烧速约为71.9m/s(与高速摄影法结果较为相近)、最大爆压为21.13 MPa、升压速率为24.18 GPa/s,爆压结果远优于nAl/常规纳米WO体系的8.43 MPa、1.15 GPa/s。我们的结果表明2D材料能显著提升含能材料的含能效能,增强其在军事、国防及爆炸领域的应用潜力。

关键词：新型Al基复合含能材料 PFSA 2D WO3 含能特性

富氮配体基含能配位聚合物的合成、结构及性能研究

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富氮配体基含能配位聚合物的合成、结构及性能研究

作者：马晓慧宁夏大学

学位级别：硕士

含能配位聚合物具有优良的爆炸性能和较好的安全性,是当前含能材料领域的研究热点。本文选用富氮配体(Htza,Hatza,N3-)与金属离子成功构筑了五例未经文献报道的含能金属配位聚合物,并对其结构及性质进行了研究。探究溶剂分子,含能基元... 详细信息

含能配位聚合物具有优良的爆炸性能和较好的安全性,是当前含能材料领域的研究热点。本文选用富氮配体(Htza,Hatza,N3-)与金属离子成功构筑了五例未经文献报道的含能金属配位聚合物,并对其结构及性质进行了研究。探究溶剂分子,含能基元和辅助配体等对含能配位聚合物结构与性能的调控作用。主要研究内容及结论如下:1.选择富氮配体1H-tetrazole-5-aceticacid(Htza)和金属银盐,通过水热法成功得到了含能MOFs[Ag(tza)(Htza)(Htza)(HO)](1)。结构分析表明在一个最小不对称单元中包含七个晶体学独立的Ag(Ⅰ)离子,而配体Htza中的所有氮原子都参与了与其配位,形成致密的三维有机框架结构。由于1中存在配位的水分子,通过加热脱水得到一例新的的无水配位聚合物[Ag(tza)(Htza)(Htza)](2)。对两者的能量特性进行了探究,结果显示:与1相比,2表现出更优异的爆炸性能和几乎相同的安全性能。研究表明,溶剂分子对能量具有明显的调控效应。2.以Htza和Hatza两种富氮配体与Ag(Ⅰ)离子通过水热法制备了两例配位聚合物[Ag(Htza)](3)和[Ag(atza)](4),结构表征显示,两者均为二维层状化合物,层与层之间通过π-π堆积连接成三维的超分子结构。含能特性表征显示,4有更优于配位聚合物3的爆炸热和热稳定性。结果表明,含能基元(氨基)的引入对含能配位聚合物的结构和性能都产生了较大的影响。3.选择富氮配体叠氮为主配体,以 1-((2-propyl-imidazol-1-yl)methyl)-benzo[1,2,3]triazole(1-mbt)为辅助配体,采用溶剂热法合成了一种新型的一维叠氮Co(Ⅱ)配位聚合物[CO(1-mbt)(N)](5)。结构分析表明一个不对称单元中包含两个晶体学独立的Co(Ⅱ)原子,且呈金字塔形。叠氮采用[-EE-EO-EO-EO-]n的连接模式与相邻的金属钴原子形成1D链,相邻链之间通过分子间作用力形成三维的超分子结构。含能特性测试表明,由于高的氮含量(N%=40.10%)和紧凑的结构,配位聚合物5显示出良好的爆炸性能和热稳定性,低的敏感度。将具有良好机械强度和刚性框架的辅助配体(1-mbt)引入到现有的过渡金属叠氮体系中,有效协调材料的高能和安全性之间的冲突。后续的磁性研究表明5表现出典型的场诱导的慢磁弛豫行为,理论计算也证实了这一点。配位聚合物5作为一种富氮无氧的环保型含能材料,具有磁性材料的性能。这项工作的实施为探究新的双功能材料的提供了理论支持。

关键词：富氮配体含能配位聚合物含能特性热稳定性敏感度

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深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

爆炸与冲击 2019年第8期39卷 38-48页

作者：陈昊祥王明洋李杰陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下,原有的平衡状态被打破,围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下,岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及... 详细信息

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下,原有的平衡状态被打破,围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下,岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性,因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发,结合统计物理学观点,为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍,并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。

关键词：深部岩体构造层级含能特性有势场与扰动场工程灾害

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基于POD方法的离心泵内部非稳态流动研究

基于POD方法的离心泵内部非稳态流动研究