【摘 要】
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含能结构材料是一种兼具力学性能和能量释放特性的材料。以含能结构材料取代传统惰性金属材料,实现战斗部全能量化是现代高效毁伤武器的发展趋势。Al基复合材料和Zr基非晶合金因其优异的力学性能和能量密度,是当前含能结构材料的研究热点,但同样存在各自的技术和理论问题。对于Al-Ni等Al基复合材料,其冲击反应释能效果不理想;而对于Zr基非晶合金,则难以实现大尺寸成型。为提升Al-Ni复合材料冲击释能性质,并
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含能结构材料是一种兼具力学性能和能量释放特性的材料。以含能结构材料取代传统惰性金属材料,实现战斗部全能量化是现代高效毁伤武器的发展趋势。Al基复合材料和Zr基非晶合金因其优异的力学性能和能量密度,是当前含能结构材料的研究热点,但同样存在各自的技术和理论问题。对于Al-Ni等Al基复合材料,其冲击反应释能效果不理想;而对于Zr基非晶合金,则难以实现大尺寸成型。为提升Al-Ni复合材料冲击释能性质,并拓展Zr基非晶合金及其复合材料在含能结构材料领域中的应用,本文研究了不同添加剂对Al-Ni复合材料的显微组织、力学性能、热引发反应行为、冲击反应行为的影响和相关机理,以及原位析出相对Zr基非晶合金的力学性能、氧化行为、冲击反应行为的影响机制。首先通过差热分析实验（DSC）结果确定当Al含量为48 wt.%时,Al-Ni复合材料具有最大的反应焓值约1.30 k J·g-1,此时反应起始温度约为766K。但Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料在1400m·s-1撞击速度下,引发的金属间化合反应和金属氧化反应并不完全,反应释放化学能为2.28k J·g-1。在此基础上,通过DSC、热处理和弹道冲击实验系统研究了CuO添加剂对Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料反应行为的影响。结果表明,CuO呈团聚状分布于Al基体中,不改变Al基体的连续性。CuO含量为2～15wt.%时,拉伸强度为193～216MPa,与Al-Ni（Al:48 wt.%）复合材料的拉伸强度接近。添加CuO后,Al和Ni容易失去核外自由电子,自由电子数目的减少以及热分解产物氧在Al/Ni界面处形成弱Al-O和Ni-O化学键,降低了Al-Ni化合反应活性,使反应起始温度从766K提高至820K,进而缩小了化合反应与铝热反应的反应起始温度差,促进化合反应热诱发铝热反应,导致两种反应相互影响,使反应热流密度从7.5m W·mg-1提高至45～80m W·mg-1;提高的反应热流密度促进了冲击加载过程中Al和Ni的氧化反应,（48Al-52Ni）100-x（CuO）x复合材料在1400m·s-1撞击速度下反应释放化学能从2.28 k J·g-1提高至3.31～3.86k J·g-1。为进一步提高Al-Ni复合材料冲击释能特性,系统研究了MoO3对Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料反应行为的影响规律和机理。结果表明,MoO3分布于Al晶界处,破坏基体的连续性。准静态加载时断裂失效主要发生Al/MoO3界面,造成了（48Al-52Ni）85（MoO3）15复合材料拉伸强度从180MPa下降至66MPa。弥散分布的Al/MoO3界面促进Al和MoO3之间电荷转移,促使反应起始温度从766K提高至830～850K,反应热流密度从7.5m W·mg-1大幅度提高至70～80m W·mg-1。增大的脆性和反应烈度使含6～10wt.%MoO3的复合材料的反应释放化学能达到4.20k J·g-1。在冲击释能效率方面,明显优于（48Al-52Ni）100-x（CuO）x复合材料。为了提高Al-Ni复合材料的密度和侵彻杀伤效果,以W为添加剂,研究了W对Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料的显微结构及释能特性的影响。结果表明,W的添加没有改变Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料的拉伸强度和Al-Ni化合反应行为,却使得复合材料的脆性增加;当W含量为60wt.%时,复合材料的密度从4.18g·cm-3增加至7.44g·cm-3,断裂应变从3.18%下降至1.7%。脆性材料在高速冲击过程中更容易引发组成金属的氧化反应,促使密度为7.44g·cm-3的（48Al-52Ni）40W60在1200m·s-1撞击速度下的反应释放化学能达到2.43k J·g-1,是密度为4.18g·cm-3的Al-Ni（Al:48wt.%）复合材料释放化学能的3倍。最后,为揭示工业上难以完全避免的原位析出相对材料冲击释能特性的影响,推进高强含能结构材料的应用,还研究了不同原位析出相含量的Zr55Ni5Al10Cu30非晶合金氧化和变形行为。结果表明,通过控制冷却速率可有效调控合金的晶相含量。合金在以高冷却速率凝固获得低晶相含量（～6vol.%）、高压缩断裂强度（1443MPa）和断裂应变（1.5%）。然而,随着CuZr2和Cu10Zr7晶相含量从6vol.%增加到100%,合金断裂应变下降至0.8%。脆性的增加有利于促进氧化反应,使晶态合金以1250m·s-1冲击时反应释能最好(～3.14 k J·g-1)。Zr55Ni5Al10Cu30块体非晶合金的力学性能和反应释能特性可通过调整冷却速率改变原位析出相的含量来调控。
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