活性金属粉体的冲击压缩行为探究

活性金属粉体的冲击压缩行为探究

王慧刘鹏王荣孙建国

内蒙古旭阳新材料股份有限公司

内蒙古自治区通辽市霍林郭勒市029200

摘要：在冲击载荷下，活性金属粉体会产生新的产物，并释放较强的热量，利用上述性质就可以设计出新型材料，并将其应用于炸药装药制备活性碎片及聚能药形罩，充分利用反应性及高释热特性，增强毁伤效果。为实现活性金属粉体能够应用于爆炸冲击，就必须对活性金属粉体的冲击压缩行为进行系统研究。

关键词：活性金属粉体；冲击；压缩；金属间化合物

本文结合冲击压缩行为以及金属中间层含能结构的优势相融合，采用爆炸过程中的冲击波作用于混合有源活性粉体。在爆炸载荷下，活性金属粉体会产生新的产物并释放热量。由于其在武器装备中的重要作用，特别是在以其作为活性材料制成的活性碎片或聚能装药罩在增强其毁伤效果上极具潜能，所以活性金属粉体的冲击压缩行为的有关研究也越来越受到重视。

1.活性金属粉体冲击加载条件下的反应过程

活性金属粉体冲击加载条件下的反应过程一般由6个方面组成，具体如下：（1）宏观塑性流动；（2）强湍流掺混；（3）晶格缺陷；（4）对已有材料表面进行清洗；（5）生成新反应物表面；（6）升温。在撞击作用下，有两种不同的化学反应，即冲击诱导反应和冲击辅助反应。冲击诱导反应是在亚微秒的压强下产生的；与此形成鲜明对比的是，冲击辅助反应作用的时间跨度较大。上述反应机理主要包含三个步骤：反应激发、反应传播、反应结束。对于反应激发机制而言，其是会因断裂程度受到相应的影响，第二个是热化学模型，即将化学反应归结为粉体原料的升温。

2.冲击压力计算

由动量守恒定律可知，在同一时刻，对粉体进行的冲击应与其动量的差值相等。从这一点可以得出：

P1 P0 0 (DS u0 )(u1 u0 )

其中，P0、P1 代表波前、波后的压力，0 代表波前介质密度，DS 代表冲击波速度，u0 、u1 代表波前和波后的粒子速度。

在上述公式中，当u0=0时，得到P1 =0 (a+bu1)u1，将45号钢的Hugoniot 参数用铁的代替，得到DS =4.567+1.49u1，由此就能计算出样品管冲击端面的冲击压力，具体如下。

DS =(4.567+1.49u1)u1

利用质量平均法估算混合粉样品的Hugoniot 参数，当压装后的密实度是53%时，混合粉样品Hugoniot 参数的关系式为DS =2.7+1.12u2，冲击压力关系式为：P2 =0 (2.7+1.12u2)u2。

上述冲击压力可以利用作图法进行求解，具体如下：（1）假定冲击波由45#钢经钛硅复合粉末传播，按两种媒质特性的关系式，绘制了两种不同媒质中的冲击波曲线，详见图1所示。（2）以薄片撞击目标的1/2，在该面中 u轴线上做一条与 u轴线相垂直的镜像线 O；

（3）由镜面对称性原则，绕镜像线 O作曲线 i的镜对称曲线 i′，在凝结体中， i′可以被看作是作为反射波的 Hugoniot曲线；（4）在试样中爆炸压强是曲线ⅰ′和 Ⅱ之间的交叉点 M。本文按阻抗配合原则，对试验试样的撞击压强及试验试样的压力进行理论计算。

图1 冲击波压力作图法原理图

3.冲击压缩过程模拟

在对粉体进行冲击压缩时，需要考虑粉体颗粒升温和冲击压力的影响，其中，粉体的冲击压缩态方程是开展此项研究必不可少的基础。然而，粉体材料在冲击压力下的力学行为却与其对应的致密材料有着本质的区别。混合粉体的动力学压缩是一个非常复杂的过程，包括颗粒的弹塑性特性、颗粒尺寸与形态、激波对颗粒的散射作用等。在冲击压力下，随着材料内部能量的增大，材料的 Hugoniot曲线从致密体的 Hugoniot曲线逐渐偏向于较大的体积。在生产实践中，通常选择两种不同的测量方式来确定材料的 Hugoniot曲线。一种是等体积法，一种是等压成型，即当粉末在某一点时，粉末就会形成一种新的致密性，即所谓的“压溃强度”，其数值与粉末的屈服强度、颗粒尺寸、形态、颗粒的颗粒尺寸、颗粒形态、颗粒的初始装填密度有关。当冲击压强小于材料的“压溃强度”时，由于冲击载荷的作用，材料内部的空洞无法被充分压缩。由模拟可知，在双管柱面加载方式加载模式下，粉末受力最大，可达45 GPa左右。在轻气炮加载模式下，最高可达20 GPa；结果表明：两种不同的平板加载模式下，撞击端面的水平压强数值相近，且分布均匀。在撞击载荷模式下，沿轴向分布的压力值随间距增大而减小，而密度增大的程度则呈下降趋势；最大压力值和密度峰值是相互吻合的。

4.活性粉体冲击激发自蔓延反应

在爆破冲击载荷作用下，5 Ti+3 Si的活性粉末能够被激励生成Ti5Si3。X射线衍射分析表明，尺寸为200 mm的活性粉末能够产生自蔓延。针对这一问题，本项目拟采用二段轻气枪驱动的飞片式撞击加载方式，通过高速摄像、光纤、探头等多种手段，实时监测炸药的燃烧波和爆震波在炸药中的传播规律。研究发现，在200 mm长的粉体中，激波以与飞片近似的初速传播，随后又以数公分/秒的速率在粉体中扩散。由于二者的运动速率差异很大，所以在试验中未观测到激波的二次加速。在两种不同的撞击加载模式下，5 Ti+3 Si的活性粉末均能生成Ti-Si合金间化合物。而要使其发生，就必须控制好粉体的密实度、冲击波温度以及冲击波的气压。试验发现，在同一载荷作用下，具有一定致密性的圆柱状粉末会产生自蔓延现象。当圆柱形加载时，同一密度的圆柱形粉末在不同的撞击压力下，更高的撞击压力能促使5 Ti+3 Si粉末发生自蔓延。所以，要想在5 Ti+3 Si的基础上进行有效的控制，就必须有合适的密实度、冲击波的温度和冲击波的压力来协同进行。

结束语：

综上所述，活性金属粉体的冲击压缩行为在实际生产中有着极为广泛的应用，本文通过对活性金属粉体的冲击压反应过程进行简要论述，并对过程进行模拟和分析，希望能为其未来的相关研究取得进展贡献一份力量。

参考文献

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