铝基非晶粉体制备及其含能应用研究

摘要

铝/聚四氟乙烯（PTFE）反应材料由于其高度的钝感、优异的冲击引发性能以及释能特性在军、民领域具有广泛的应用前景。尽管铝基非晶合金较弱的非晶形成能力限制了铝基非晶合金的广泛应用，铝基非晶远比普通铝基合金更偏离平衡态，因而具有更高的化学反应驱动力。本文拟将Al基非晶合金粉末引入Al/PTFE反应材料，即采用机械合金化的方法制备Al基非晶合金粉末，并采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、差示扫描量热法（DSC）等方法表征分析其制备过程；并将所制备的Al基非晶合金粉末与PTFE微米粉混合压制制备非平衡态Al/PTFE反应材料，分析其在TG-DSC条件下的能量释放行为与动力学行为。
　　通过共晶点原则设计了Al70Ni15Ti10Zr5的合金组成，通过机械合金制备Al基非晶合金粉末，研究球磨参数对其非晶形成过程的影响，并分析非晶化机理。结果表明：在球磨转速400转/min，球料比30:1的条件下，球磨160h后获得了非晶程度较高的Al基非晶合金粉末。较低的球磨转速和较低的球料比均不利于非晶结构的形成。球磨过后的粉末中存在5nm左右的Al微晶岛状区域弥散分布在非晶基体当中。在氩气气氛下，升温速率为40K/min时 Al基非晶合金粉末存在两个连续的晶化转变放热峰，峰值温度分别为413.5 ℃和445.7 ℃。非晶形成过程是通过间接反应形成的，即先形成纳米晶和固溶体，再转化为非晶态。
　　通过模压法制备非平衡态Al/PTFE反应材料，研究测试气氛中氧气分压对其热行为的影响。结果表明：氧能够促进非平衡态Al/PTFE反应材料中PTFE的热分解，进而使得反应提前。当氧气分压由0％增加至20%时，非平衡态Al/PTFE反应材料的反应峰峰值温度从623.8 ℃提前至491.5 ℃。空气气氛下，非平衡态Al/PTFE反应材料的反应放热峰面积与纳米Al/PTFE反应材料的相当，但更加尖锐，显示出更强的反应活性。
　　通过不同升温速率条件下线性升温测试，研究测试气氛中氧气分压对非平衡态Al/PTFE反应材料动力学行为的影响。结果表明：不同测试气氛中，反应峰峰值温度Tp与升温速率β之间均具有较好的线性关系。随着氧气分压从0%增加至20%，通过线性拟合外推的β为0K/min时的反应峰值温度从607.9 ℃降低至476.8 ℃；通过 Kissinger法拟合计算的反应激活能从421.7kJ·mol-1降低至308.5kJ·mol-1；通过Ozawa法拟合计算的反应激活能从436.1kJ·mol-1降低至321.7kJ·mol-1。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1 非晶合金概述

1.2 机械合金化

1.3 氟聚物基反应材料

1.4 本文的选题依据与研究内容

第二章 实验方案

2.1实验原料

2.2仪器与设备

2.3 研究方法与技术路线

2.4 Al基非晶合金粉末制备

2.5样品的表征及性能测试

第三章 Al基非晶合金粉末制备及其表征

3.1 引言

3.2 确定合金体系及成分

3.3 机械合金化法制备Al基非晶合金粉末

3.4非晶化机理分析

3.5本章小结

第四章 非平衡态Al/PTFE反应材料制备及其热行为

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 热分析-质谱同步分析

4.4 XRD分析

4.5 对比与讨论

4.6本章小结

第五章 非平衡态Al/PTFE反应材料反应动力学

5.1 引言

5.2 经典热分析动力学方程

5.3 测试气氛对动力学参数的影响

5.4 讨论

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文