新型鋁基稀土合金的結構與能量釋放的構效關係研究

《新型鋁基稀土合金的結構與能量釋放的構效關係研究》是依託華中科技大學，由蔡水洲擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型鋁基稀土合金的結構與能量釋放的構效關係研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：蔡水洲
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

單質金屬鋁粉作為火炸藥重要組成，由於燃燒過程中易形成緻密氧化鋁保護膜，阻止了鋁顆粒內部單質鋁進一步燃燒，導致燃料高點火溫度、燃燒不充分和能量釋放不完全等缺點，限制了火炸藥性能進一步提升。為了克服這些缺點，本項目提出添加可燃性好的稀土金屬鈰（Ce）和銪（Eu），與金屬鋁進行合金化製備新型合金燃料。擬採用計算材料學和熔融噴霧法來設計和製備系列Al-Eu和Al-Ce合金粉，用不同熱處理手段調節不同種類合金燃料的組織結構，重點研究新型鋁基稀土合金燃料顆粒內部相組成、相結構、相分布、熱處理過程中相轉變、氧化過程中相分離、燃燒過程中合金相消失以及這些轉變過程中對應的能量釋放量和能量釋放方式等方面的科學規律，建立組織結構與能量釋放性能的構效關係和不同結構合金粉反應機制對應的氧化動力學模型，為設計出不同系列、性能優良的合金燃料提供理論指導，滿足火炸藥領域對金屬燃料更高要求的需求。

結題摘要

為了提高金屬燃料的燃燒效率，本項目分別採用計算材料學和熔融噴霧法來設計和製備出了不同成分系列的Al-Eu和Al-Ce合金粉，通過XRD、SEM/EDS以及金相觀察等現代表征分析方法對合金粉末反應前後的組織結構分別進行了表征。研究了Ce、Eu兩種稀土元素對鋁基合金燃料熱性能的影響規律。同時採用不同熱處理手段對新型鋁基稀土合金燃料顆粒進行了處理，研究了其對合金燃料氧化燃燒過程中能量釋放量和能量釋放方式的影響規律。 結果表明，在1065 ℃的溫度下，Al-3Eu合金粉末的氧化放熱焓高達8108.2μV·s·mg-1，幾乎是單質Al粉的5倍，而氧化增重達到了61.1%，且合金粉末的氧化峰隨稀土銪含量增加往低溫方向偏移。Al-3Eu合金粉末由單質Al和Al4Eu金屬間化合物兩種物相組成，Al4Eu偏聚於晶界，將顆粒內部的細小的單質Al晶粒隔離開來，形成一種特殊的“微納結構”。晶界處Al4Eu相能有效促進合金顆粒完全燃燒。熱處理能有效調節Al-3Eu合金粉末的組織結構，改善其氧化燃燒性能。在400ºC的氬氣環境下Al-3Eu合金顆粒內部晶粒尺寸隨退火時間的延長而增大。退火0.5h後合金粉的氧化放熱焓達到了9243.4μV·s·mg-1，而退火2h後合金粉的氧化增重也達到了78.8%，均優於未經熱處理的Al-3Eu合金粉末。Al-3Eu對AP的催化分解研究顯示，AP的低溫和高溫分解峰溫分別降低約8和60 ℃，分解熱增加約400 μV·s·mg-1。Al-3Eu的添加顯著促進了AP的分解過程。 Al-Ce合金中少量的Ce固溶在單質Al基體中，合金粉均只發生一次氧化反應，Ce含量為1%時合金粉活性最佳。快冷的Al-Ce合金晶粒更細、起始氧化溫度比慢冷的低。1300℃時合金粉的氧化並不完全。不同熱處理對 Al-Mg-Ce合金燃料的結構和熱性能研究結果表明，稀土Ce的添加使Al-Mg-Ce合金第一個放熱峰開始溫度比Al-Mg合金粉低160 ℃，熱性能較好的Al-15Mg-1Ce合金粉的氧化放熱焓為6413 μV·s/mg，1300 ℃時的增重為90%。 本項目為新型合金燃料的能量釋放溫度和釋放方式兩方面提供了數據支撐，為不同性能的系列新型合金燃料設計提供了理論指導，可更好的滿足火炸藥領域對高性能金屬燃料的迫切需求。