Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究

针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题,基于AUTODYN软件的二次开发功能,编写了适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序,实现了对活性材料弹丸在高速侵彻过程中爆燃反应行为的数值模拟.通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性破片的形貌演化规律,以及粒子反应度、温度、压力等参量随时间的变化曲线,进而实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析. 结果表明,反应度随时间的变化趋势与试验中活性材料弹丸释能发光的变化趋势一致,温度计算与先前试验结果相符,说明该数值模拟方法可以很好地反映Al/PTFE活性材料弹丸在高速撞击过程中的冲击/爆燃释能过程.      

PTFE/Ti/W含能材料爆炸冲击反应特性研究

作为一种新概念高效毁伤元,PTFE基含能材料不仅可以对目标实现动能侵彻毁伤,还可在冲击条件下发生化学反应,产生内爆效应,从而提高毁伤效能.文中通过试验方法研究了不同W质量分数PTFE/Ti/W含能材料在炸药爆炸冲击加载条件下的化学反应特性,并与不含活性Ti的惰性PTFE/W材料进行对比.采用狭缝装置及高速摄像系统记录了含能材料的冲击反应过程,利用试验测量数据计算了含能材料的动力学参数,并讨论了不同材料的反应释能差异.结果表明,PTFE/Ti/W含能材料在炸药驱动下的化学反应具有非自持性,传播距离、W粉质量分数及孔隙度对反应释能影响显著.     

高Al含量PTFE基材料爆炸冲击压缩特性及反应行为

针对PTFE/Al含能材料在战斗部中的应用需求,研究其在爆炸冲击加载下的压缩特性及反应行为.利用炸药透镜产生平面波加载含能材料的方法,通过锰铜压阻传感器测量被加载的PTFE/Al （质量分数50%,50%）含能材料内的不同位置处压力-时间关系.根据测量数据,得到材料Hugoniot曲线、Murnagham等熵方程与Grüneisen状态方程.结果表明,PTFE/Al含能材料的冲击反应有延迟现象,反应延迟时间在1.0~2.6 μs之间,爆炸冲击载荷引发材料反应的最小压力在11.93~17.98 GPa之间.      

碳纤维对PTFE/Al反应材料动态力学行为和点火特性影响研究

本研究旨在探讨短切碳纤维（carbon fiber,CF）单丝对聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)反应材料动态力学和点火特性的影响.首先，制备了PTFE/Al和PTFE/Al/CF反应材料，开展了材料的动态力学性能测试，获得了力学性能与点火参数，记录了冲击压缩过程.结果表明，添加CF导致PTFE/Al材料的弹性模量大幅降低，弹性模量因子的应变率效应与失效应变因子的应变率效应降低.在此基础上，分析了不同CF质量分数对反应材料的冲击压缩过程与回收试件、冲击点火速度（应变率）阈值的影响.结果表明，纤维通过固结强化作用，低CF质量分数的PTFE/Al/CF试件具有较好的抗动态压缩性和能量吸收效果.随着CF质量分数的提高，TFE/Al/CF反应材料速度（应变率）点火阈值降低，反应强度和反应时间有提高.为碳纤维填充改性PTFE/Al反应材料的设计和冲击应用提供参考.     

湿法提纯石英过程的动力学研究

为了提高湿法提纯石英的浸出效率并提供理论依据,从动力学角度研究了酸浸提纯石英工艺中除Al的浸出过程并建立动力学模型.在ω(HF)=2％、ω(H2C2O4)=3％、ω(HNO3)=30％,液固比4:1,搅拌转速150 r/min,粒径100～120目的实验条件下,通过常用的液固相化学反应动力学模型的比较并结合宏观现象,得到描述浸出过程的经验方程,湿法提纯石英过程浸出Al的动力学模型为基于界面反应模型的微粒模型.杂质Al的去除率X(Al)对反应时间t的关系式为1-[1-X(Al)]1/3=k2"t,浸出过程频率因子A=58 204.04 s-1,反应表观活化能为E=44.588 1 kJ/mol,属于化学反应控制.提高温度和酸液浓度、降低石英颗粒的半径,均可提高Al的浸出速率和浸出率.     

PTFE基含能破片的能量释放特性研究

本文利用弹道枪作为加载方式模拟破片弹靶作用状态,研究了冷压烧结制备的6种含能材料在冲击条件下的能量释放特性,并利用高速摄影记录实验现象.实验结果表明：含能材料的毁伤效果明显优于惰性材料;Al/W/PTFE含能破片释放的能量最多,Ti/W/PTFE含能破片的火光持续时间最长.     

(NH4)2SO4浸取轻烧氧化镁的反应动力学

为确定轻烧氧化镁浸取过程的最优控制参数,采用硫酸铵作为浸取剂,考察了浸取体系温度、硫酸铵初始浓度以及轻烧氧化镁颗粒粒度对浸取反应动力学的影响,并得到了宏观反应动力学方程式.结果表明 在一定的浸取剂初始浓度和固体反应颗粒粒度范围内,该浸取反应过程符合Crank-Kinstelin-Browhetein模型; 表观反应活化能为 57.41 kJ/mol, 属表面化学反应控制类型.当硫酸铵与氧化镁初始物质的量之比大于2时,反应过程逐渐由Crank-Kin-stelin-Browhetein模型向减缩核模型过渡.当轻烧氧化镁颗粒初始粒度较大时,浸取反应过程也呈现上述过渡趋势.     

苯热解渗透炭抑制焦炭劣化反应动力学

进行苯热解渗透炭抑制焦炭劣化反应动力学实验,用未反应收缩核模型表征动力学实验数据,建立苯热解渗透炭抑制焦炭劣化反应动力学模型,确定模型参数.依所建动力学模型,计算出抑制焦炭劣化反应过程中的相对外扩散阻力ηg/Ση、相对内扩散阻力ηD/∑η和相对界面反应阻力ηC/∑η.研究结果表明:按Arrhenius方程得到苯热解渗透炭抑制焦炭劣化反应的活化能Ea=217.0 kJ/mol和有效扩散活化能ED=162.9 kJ/mol,均大于空白焦炭劣化反应的活化能Ea-142.0 kJ/mol和有效扩散活化能ED=96.30 kJ/mol;苯热解炭抑制焦炭劣化反应起始阶段主要受界面化学反应和外扩散影响,随着反应进行,劣化反应由内扩散、界面化学反应和外扩散同时影响;在较低温度下,焦炭劣化反应主要受界面化学反应控制,随反应温度升高,界面化学反应的相对阻力逐渐下降.     

铝热剂填充改性PTFE/Al含能材料实验研究

为了提高PTFE/Al含能材料的力学特性,利用铝热剂对零氧配比的PTFE/Al含能材料进行了填充改性,并对改性后的含能材料进行了准静态压缩实验,获得最优配比.利用最优配比制备了含能破片,采用25 mm口径弹道炮进行发射,通过高速摄影仪记录破片的冲击过程.试验结果表明,改性后的PTFE/Al力学强度约为纯PTFE/Al的1.3倍,在1 084~1 667 m/s的撞击速度下伴有猛烈的爆炸作用,证明新材料具有可靠的冲击起爆特性,穿甲孔径比为1.91~2.54.     

PTFE/Al活性破片碰撞三层间隔靶冲击响应行为

为研究PTFE/Al活性破片多次碰撞下冲击响应行为,开展了活性破片碰撞三层间隔铝靶实验并采用包含自定义状态方程的数值方法进行模拟,定量分析了活性破片冲击激活反应行为的时空分布与毁伤效应.结果表明,数值模拟中活性破片反应与空间分布情况与实验结果具有较好一致性,活性破片反应空间分布对中靶毁伤效果影响较大.中靶厚3.0 mm时,各碰撞速度下活性破片均主要于中靶前方发生反应;中靶的穿孔面积与隆起范围随着碰撞速度增加而增大,且靶板隆起范围远大于穿孔面积.中靶厚1.5 mm时,碰撞速度小于等于1 100 m/s时活性破片主要于中靶后方发生反应,碰撞速度提升至1 300 m/s后破片的主要反应位置转移至中靶前方;随着碰撞速度增加,中靶的穿孔面积呈先增大后减小趋势,隆起范围不断增加.     

强激光驱动微颗粒高速冲击下铝合金材料的动态力学行为

微颗粒冲击条件下铝合金材料的动态力学行为研究，对保障铝合金部件在极端环境下结构设计和安全防护性能至关重要. 针对2024铝合金材料，采用强激光驱动微颗粒高速冲击实验和数值模拟，研究其微弹道冲击行为. 首先通过强激光驱动微颗粒冲击实验，获得了常温条件下冲击过程中微颗粒的能量损失与铝合金板材冲击的局部变形行为，并对有限元模型进行了验证；基于相场动力学模拟，获得了接近熔点温度的固液共存铝合金的微结构特征，并建立了流固耦合计算模型，给出了不同温度下铝合金材料的冲击能量耗散特性、应力分布规律与变形失效行为. 数值模拟结果表明，动态加载下固液共存态铝合金中的流固耦合效应对铝合金的宏观动态力学行为有重要影响；固液共存铝合金材料的吸能效率更低，且由于固相枝晶的相互作用，使应力的传递路径发生明显变化.      

SiCp/Al复合材料界面反应研究现状

界面反应研究是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料研发中的重要研究方向.各国研究者分别从界面反应规律、影响因素、控制途径等方面展开研究.界面反应规律方面研究了Al合金液与SiC颗粒可能存在的界面化学反应、界面反应过程和界面反应模型、界面上的相等;界面反应影响因素方面研究了界面反应与制备工艺过程、参数的关系;界面反应有效控制途径方面研究了、基体合金化、SiC颗粒表面处理、工艺选择与工艺参数控制等.今后的界面反应研究方向为:界面精细结构的研究;界面反应的化学热力学及动力学研究等.     

活性材料冲击压缩及反应行为模拟方法研究进展

近年来，以含能结构材料、含能非晶合金、含能高熵合金等为代表的活性材料受到广泛关注.由于兼具结构强度特性和冲击反应释能特性，活性材料在高效毁伤和防护领域有十分重要的应用前景.其中，活性材料的冲击压缩响应行为及反应释能特性是该类材料设计和应用中关注的重点，研究人员在考虑其冲击反应行为的数值模拟方法上开展了大量的研究工作.本文基于活性材料宏观反应行为受微/细观结构特性控制的特点，从不同时空尺度对活性材料的冲击压缩及反应行为数值模拟方法的研究现状进行了综述，系统梳理了分子动力学模拟、冲击压缩特性细观模拟、冲击反应行为跨尺度模拟、冲击压缩及反应行为宏观尺度模拟方法等4个方面的研究进展.总结认为，活性材料的冲击压缩动力学响应特性数值模拟及冲击反应特性宏-细观尺度关联机制的研究已取得了较大进展，考虑反应弛豫时间和非自持反应特性的点火模型在宏观尺度数值模拟中得到发展与应用.但是，目前数值模拟中关于反应诱发后活性材料动力学行为的描述主要基于火/炸药等典型含能材料的本构模型，仅能实现对活性材料冲击反应行为的表观呈现，而对活性毁伤元作用过程关键参数的精确预测仍存在一定差距.因此，建立准确描述活性材料撞击点火...     

自生颗粒增强铝基复合材料的组织与性能

本文采用原位反应工艺,通过在Al熔体中加入TiO2,在一定温度下产生化学反应生成Al3Ti颗粒,用铸造法制备Al/Al3Ti复合材料.自生的Al3Ti颗粒尺寸细小,分布均匀.当TiO2/Al质量比为20%～30%、反应温度为920℃时,所制备的复合材料的抗拉强度比纯Al基体提高77.5%,硬度提高132%,而延伸率较纯铝略有下降.     

氧化铁高温煤气脱硫剂再生动力学行为研究

在热天平装置上研究了SO2气氛下再生反应温度和反应气体中二氧化硫体积分数对氧化铁高温煤气脱硫剂再生行为的影响。实验结果表明,只有在温度高于600℃时氧化铁脱硫剂才可以进行再生,较高的反应温度和二氧化硫体积分数都有利于提高脱硫剂的再生反应速率。利用均匀反应模型确定了SO2气氛下脱硫剂的再生为一级反应,按照等效粒子模型对其动力学行为进行了分析。结果表明,二氧化硫气氛中氧化铁脱硫剂再生过程存在着由表面化学反应控制向内扩散控制的动力学控制步骤的转移过程。通过计算得出了再生反应表观动力学参数,化学反应速率常数的指前因子为8.79×107m/s,活化能为160.56 kJ/mol;有效扩散系数的指前因子为6.4×10-3m2/s,扩散活化能45.40 kJ/mol。     

典型反应破片冲击反应压力特性试验研究

为研究金属-氟聚物、铝热剂和金属间化合物等3种类型反应材料的冲击反应压力特性,选择Al-PTFE、Al-Fe₂O₃以及Al-Ni制成反应破片,基于弹道枪驱动发射,使破片冲击前置靶板,并在密闭箱体内发生剧烈化学反应,通过箱壁上不同位置处的压力传感器记录箱体内的动态压力散布特征. 试验结果显示,同体积反应破片以1 200 m/s冲击贯穿2 mm厚LY-12硬铝板,进入密闭试验箱内产生的反应压力峰值p_Al-Ni >p_Al-Fe2O3 >p_Al-PTFE;Al-Ni,Al-Fe₂O₃和Al-PTFE的能量释放率依次为74%、40%和10%,并且在试验中观察到了因反应材料二次燃烧反应消耗气体产生的负压峰值.     

硅粉常压直接氮化过程的非催化气固反应模型

以平均粒径2.2μm、纯度99.99%的硅粉为原料,采用纯度99.993%的高纯氮气作为反应气体,在1350和1400℃下进行了氮化时间为10～30 min 的氮化实验,得出了不同温度下硅粉转化率随反应时间的变化关系.将硅氮反应看成非催化气固反应,建立了硅颗粒氮化动力学模型.通过对实验数据的拟合,得出两个模型参数：硅氮反应速率常数和氮气在产物层中的扩散系数.假定反应速率常数和扩散系数均满足阿伦尼乌斯公式,求得化学反应激活能和指前因子分别为2.71×104 J·mol?1和3.07×10?5 m·s?1,扩散激活能和指前因子分别为1.06×105 J·mol?1和1.12×10?9 m2·s?1.利用本文得出的氮化动力学模型对各温度下不同粒径硅粉的转化曲线进行了预测,预测曲线与文献中的实验数据在趋势上吻合较好.     

损伤炸药的冲击起爆数值模拟

通过对炸药化学反应速率方程的分析,建立了基于KIM弹粘塑性球壳塌缩热点模型原理的三项式整体化学反应速率方程模型. 运用遗传算法确定了反应速率方程相关参数,通过与Forest-Fire反应速率模型数值模拟结果对比验证所建模型的合理性. 将所建反应速率方程模型嵌入有限元程序对PBX炸药起爆过程进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以描述分析受冲击加载造成孔隙率、颗粒尺寸等变化的损伤炸药的冲击起爆过程.     

力电冲击荷载下PZT/复合材料梁界面断裂分析

基于非线性有限元方法,对力电冲击荷载作用下PZT/复合材料梁界面断裂进行了研究.通过虚裂纹闭合技术计算了界面裂纹前缘的能量释放率随时间变化的响应曲线,并且采用接触单元防止PZT片和界面裂纹分层前缘的复合材料发生穿透,然后通过比较证明了该求解方法的有效性,最后通过典型算例讨论了压电效应、界面接触、电压、铺层角度和压电材料阻尼对界面动态能量释放率的影响.研究方法和结论对动态工况下PZT/复合材料界面止裂设计具有一定的参考价值.     

Al2O3,Al3Zr颗粒增强Al-12%Si基原位复合材料的高温热膨胀性

以Al-12%Si和Zr(CO3)2作为反应组元,通过原位反应法制备出Al2O3,Al3Zr颗粒增强铝硅基复合材料,通过快速凝固成型得到铸态试样.用热膨胀仪测试了材料在50～500℃范围内的膨胀位移与温度的关系,进而得出平均线膨胀系数.结果表明:在同一温度条件下,随颗粒理论体积分数增加,复合材料的平均线膨胀系数减小.温度是影响平均线膨胀系数的重要因素.当试样温度在50～300℃时,随温度增加,平均线膨胀系数逐渐增加;当试样温度在300～500℃时,随温度增加,平均线膨胀系数逐渐减小;300℃时平均线膨胀系数最大.用Rom、Turner和Kerner模型计算了理论热膨胀系数.比较发现,实测值更接近Turner模型理论预测值.最后通过界面残余热应力分析指出具有高温低膨胀性的(Al2O3+Al3Zr)p/Al-12%Si颗粒增强铝基复合材料能有效防止材料高温时的塑性变形.