新型Al-Eu合金燃料组织结构与能量释放的构效关系研究

摘要

为了改善铝粉的氧化燃烧性能，使其能够在推进剂、火炸药以及导弹发射药等领域得到更加广泛的应用，首次将稀土元素铕应用到了金属燃料的研究中。本论文采用紧耦合气雾化法制备了一系列 Al-Eu二元合金粉末，并通过 XRD、SEM/EDS以及金相观察等方法对合金粉末反应前后的组织结构进行了表征,用 TG-DTA方法对其热性能进行了测试，探索了稀土铕应用于金属燃料的可行性。并从粉末的微观组织结构入手，分析了稀土铕促进合金燃料氧化的原因，初步建立了 Al-Eu合金燃料结构与能量释放的构效关系。
　　结果表明，制备的合金粉末具有很高的球形度且表面较为光滑。合金粉末的氧化温度随稀土铕含量增加向低温方向偏移，如：Al-1Eu合金粉末氧化温度为1070oC、Al-3Eu合金为1065oC、Al-5Eu合金为1046oC，说明添加稀土元素铕确实改善了铝粉的氧化燃烧性能。其中Al-3Eu合金粉末的氧化放热焓最高，达到8108.2μV·s·mg-1，氧化增重达到了61.1％，相比之下，纯铝粉末的氧化放热焓只有1689.7μV·s·mg-1，而氧化增重则为27.9%。Al-3Eu合金粉末不同氧化阶段的组织结构表明，Al-3Eu合金粉末由Al和Al4Eu两种物相组成，金属间化合物Al4Eu偏聚于晶界，将颗粒内部的细小的单质Al晶粒隔离开来，因此粉末内部呈现为一种由Al和Al4Eu两种不同的物相隔离分布所形成的特殊“微纳结构”。在这种特殊的结构中，Al4Eu相具有很好的燃烧性能，能够优先燃烧，这使得Al-3Eu合金颗粒在氧化燃烧过程中，由于晶界处的Al4Eu相优先燃烧，合金颗粒崩裂为单质Al相的细小颗粒，从而使得其热反应活性类似于超细甚至纳米铝粉。Al-3Eu合金粉末所展现出的优异热反应活性表明了其在含能材料领域有着巨大的应用价值。
　　本研究还通过热处理的方法来改变合金粉末的组织结构，从而改善其氧化燃烧性能。在氩气环境中，于400oC条件下对Al-3Eu合金颗粒分别退火0.5h、2h以及8h，组织结构的变化表明，随退火时间的延长，颗粒内部晶粒尺寸变大，晶界处Al4Eu相含量降低，从而导致颗粒的热反应特性出现差异。具体的TG-DTA结果表明，退火0.5h的试样氧化放热焓达到了9243.4μV·s·mg-1、氧化增重为70.4%，退火2h氧化放热焓为7755.8μV·s·mg-1、氧化增重为78.8%，退火8h氧化放热焓降为4188.5μV·s·mg-1、氧化增重降为57.7%。结果表明，热处理是改善合金粉末氧化燃烧特性的一种行之有效的方法，为以后合金燃料的设计与制备提供了新的思路。

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1. 绪 论

1.1 引言

1.2 金属燃料的研究概况

1.3 铝基合金燃料的研究现状

1.4 本课题的选题思路及主要研究内容

2 铝基合金燃料的制备方法与表征手段

2.1 引言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 紧耦合气雾化法制粉机理

2.4 合金燃料的表征

2.5 本章小结

3 Al-Eu系列二元合金燃料氧化性能的研究

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 不同Eu含量的Al-Eu合金燃料氧化性能研究

3.4 本章小结

4 Al-3Eu合金燃料组织结构与能量释放的构效关系研究

4.1 引言

4.2 实验试剂与仪器

4.3 Al-3Eu二元合金燃料氧化机理研究

4.4 本章小结

5 热处理对Al-3Eu二元合金燃料氧化性能的影响

5.1 引言

5.2 实验试剂与仪器

5.3 不同退火时间的Al-3Eu二元合金燃料氧化性能研究

5.4 本章小结

6 全文总结与主要创新点

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文