Ni/Al納米粉末混合物衝擊合金化機理研究

《Ni/Al納米粉末混合物衝擊合金化機理研究》是依託湖南大學，由肖時芳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Ni/Al納米粉末混合物衝擊合金化機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：肖時芳
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

新型含能材料的研究開發是設計高性能現代武器的關鍵。Ni/Al納米粉末混合物貯能密度大，在高壓衝擊誘導合金化過程中可瞬間釋放巨大能量，是含能金屬材料研究開發的重點對象。衝擊合金化過程中顆粒塑性形變、合金化反應及兩者間的相互影響等問題的解決是推進金屬含能材料實用化進程的關鍵。由於衝擊波與材料的相互作用時間極短，且體系處於高壓、高溫極端狀態，僅採用實驗方法難以揭示衝擊合金化過程中顆粒塑性形變與合金反應的微觀機理。本課題擬構建適用於高壓環境的分析型嵌入原子勢函式，利用非平衡分子動力學方法結合大規模並行計算技術研究典型Ni/Al混合物模型在衝擊波作用下的合金化過程，基於局域特徵塑性和合金比例分數兩個量化指標的計算與分析，探討衝擊強度、顆粒尺寸和顆粒間孔隙對顆粒塑性形變、合金化反應產物與反應程度的影響規律，揭示衝擊波誘導合金化反應的微觀機理，為新型含能材料的設計和高壓衝擊條件下的合金製備提供理論依據。

結題摘要

新型含能材料的研究開發是設計高性能現代武器的關鍵。Ni/Al納米粉末混合物貯能密度大，在高壓衝擊誘導合金化過程中可瞬間釋放巨大能量，是含能金屬材料研究開發的重點對象。衝擊合金化過程中顆粒塑性形變、合金化反應及兩者間的相互影響等問題的解決是推進金屬含能材料實用化進程的關鍵。由於衝擊波與材料的相互作用時間極短，且體系處於高壓、高溫極端狀態，僅採用實驗方法難以揭示衝擊合金化過程中顆粒塑性形變與合金反應的微觀機理。本課題利用非平衡分子動力學方法結合大規模並行計算技術研究典型Ni/Al混合物模型在衝擊波作用下的合金化過程，模擬結果表明，衝擊誘導化學反應發生於非平衡過程中，原子的快速混合伴隨著溫度的急劇上升，衝擊波前沿優先變形的Al顆粒形成高速射流並撞擊Ni顆粒，促進Ni和Al原子的快速混合和反應。衝擊波陣面附近出現的粒子速度分散對引發衝擊誘導化學反應具有重要作用，位錯主要在顆粒變形開始時或在衝擊前沿附近產生，並不直接影響衝擊誘導化學反應的發生。衝擊後熔融Al和非晶Ni的緊密接觸對隨後的Ni和Al原子的迅速混合和反應非常關鍵，衝擊誘導化學反應機制涉及到衝擊陣面附近的機械化學過程和隨後衝擊區的相互擴散過程。顆粒配位數和體系密度顯著影響含能粉末材料的形變和反應，對於不同顆粒尺寸的試樣，衝擊壓縮回響在定性上並沒有太大的差異，但較小顆粒的構型更容易發生塑性變形和化學反應。提出了一個描述動態載入下超快速混合和反應行為的反應動力學模型，該模型可合理評估機械化學效應的影響程度以及後續相互擴散的快慢。相較於含一定孔隙率的顆粒混合物，近完全緻密體系具有更好的強度以及較低的反應敏感性，在高衝擊速度下，衝擊區出現的非均勻速度場加速原子間的混合和反應。項目從原子尺度研究了衝擊強度、顆粒尺寸和顆粒間孔隙對顆粒塑性形變、合金化反應的影響規律，揭示了衝擊波誘導合金化反應的微觀機理，為新型含能材料的設計和高壓衝擊條件下的合金製備提供理論依據。