一種以微納米鋁熱劑為材料的含能藥型罩的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于藥型罩技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種由鋁熱類含能材料組成的藥型罩。本發(fā)明所述含能藥型罩不僅具有極高的安全特性，而且具有很高的能量密度、適中的反應(yīng)速度和較高的力學(xué)性能，可應(yīng)用于高效毀傷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代軍工技術(shù)的發(fā)展，各類反應(yīng)裝甲防護技術(shù)得到了進一步提高，對目前破甲彈藥型罩的選材、結(jié)構(gòu)和制造工藝提出了嚴(yán)峻的考驗。傳統(tǒng)惰性藥性罩所形成的射流在侵徹目標(biāo)后后效不足，不能對敵目標(biāo)進行足夠的有效打擊。在這個前提下，國內(nèi)外都開啟了活性藥型罩(即含能藥型罩)的研究。所謂“活性”，是指制造藥型罩的材料不再完全是惰性的金屬材料，而是采用在侵徹過程中可以釋放大量化學(xué)能的活性材料。傳統(tǒng)藥型罩，如應(yīng)用最廣的銅罩，是靠機械力作用實現(xiàn)破甲，只能在裝甲上形成一個射孔，打擊效果有限?；钚运幮驼謩t是在保證機械力破甲(即穿孔)的同時，還能釋放出大量化學(xué)能來輔助破甲，大幅增加毀傷效果(如增加破孔直徑，以及破甲后的縱火效應(yīng)等)。因此，用活性材料制造藥型罩，是目前藥型罩發(fā)展的一個新方向，但研究還很有限。
[0003]國外早已開展了活性藥型罩的研究，但十分保密，目前僅能查到美國軍方在2001年的一篇會議論文(E.L.Baker, A.S.Daniels , K.ff.Ng, etc.Barnie: A UnitaryDemolit1n ffarhead[C].19th Internat1nal Symposium of Ballistics, 7-11 May2001, Interlaken, Switzerland, 569-574.)。該論文報道了一種名為“Barnie” 的一元含能藥型罩，該藥型罩由一些未知的物質(zhì)構(gòu)成，所形成的射流在侵徹目標(biāo)的過程中會發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，生成大量的熱和氣體，產(chǎn)生二次爆炸效應(yīng)，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于石質(zhì)和混凝土靶材。從試驗過程和結(jié)果來看，制造該藥型罩的材質(zhì)應(yīng)該是一種密度較大的復(fù)合型含能材料。
[0004]國內(nèi)對于活性藥型罩的研究起步很晚，前期多見一些模擬和理論計算的文獻，近兩年才有少量關(guān)于制造和試驗的研究。如，張子敏等(活性金屬藥型罩射孔彈破甲試驗研究[J].爆破器材，2013，42(4): 53-56.)報道了一種活性金屬藥型罩射孔彈的配方、制備及破甲試驗研究，以鋁粉(Al)和鎳粉(Ni)的混合物作為活性成分，聚四氟乙烯(PTFE)為粘結(jié)劑，利用Al和Ni之間的合金化反應(yīng)(Al+Ni—AINi)放熱來達到增加毀傷效果的目的。但該反應(yīng)在熱力學(xué)上的放熱量很小(1.38kJ/g)，化學(xué)反應(yīng)自由能較高(1000°C時AG = -101.95kJ/mol)，因此并不是一個自蔓延的放熱反應(yīng)。從其實驗效果中可以看出，與惰性罩相比，其毀傷效果提高并不大，而且沒有縱火效應(yīng)。嚴(yán)格的說，Al-Ni混合物只能稱為活性材料，而不是含能材料。另外，采用PTFE作為粘結(jié)劑，會導(dǎo)致藥型罩的力學(xué)性能變差。
[0005]辛春亮等(活性藥型罩聚能裝藥子彈毀傷效應(yīng)研究[J].兵工學(xué)報，2014，35(Suppl.2): 217-220.)報道了一種活性藥型罩，并試驗了它的毀傷性能。其藥型罩配方為Al-PTFE體系，該體系是一種放熱較低的含能體系，缺點是藥型罩密度小(?2.2g/cm3)、機械強度低、配方氧平衡不易掌握。特別是其配方中聚合物PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到70%，勢必將嚴(yán)重影響藥型罩的力學(xué)性能;并且，PTFE粉是一種聚合物粉末，其在爆炸驅(qū)動過程中很難產(chǎn)生高強度射流。另外，該藥型罩是采用燒結(jié)工藝制成坯料，最后機加工而成。這種方法雖然適合于惰性粉末藥型罩成型，但并不適合于含能藥型罩的成型，因為燒結(jié)過程對含能材料來說十分危險，大幅增加了制備的危險性。
[0006]納米鋁粉作為高能燃料應(yīng)用于含能材料，已被證明能夠顯著地改善含能材料的燃燒性能。由于其極高的熱釋放率會提高凝聚相中的熱釋放速率，故含納米鋁粉的含能材料具有較高的熱通量，導(dǎo)致其燃燒強度是傳統(tǒng)微米材料的幾十倍甚至上百倍。由于納米鋁粉具有較大的比表面積(>50m2/g)，與普通鋁粉相比，納米鋁粉的熱氧化過程具有非常低的反應(yīng)活化能，導(dǎo)致反應(yīng)起始溫度大幅提前且點火容易。例如，傳統(tǒng)大顆粒Al-Fe2O3鋁熱劑的反應(yīng)活化能(Ea)約為500kJ/mol，反應(yīng)起始溫度(To)約為950°C;而由納米Al粉組成的Al-Fe2O3鋁熱劑的Ea ? 300kJ/mol,To ? 550°C。因此，將鋁粉的粒度減小至納米級，在動力學(xué)方面對鋁熱劑的燃燒反應(yīng)會有極大的促進作用。但在目前能夠檢索到的資料中，將納米鋁粉應(yīng)用在藥型罩材料中尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種以微納米鋁熱劑為材料的含能藥型罩，以提高藥性罩所形成的射流在侵徹目標(biāo)后的后效，對敵目標(biāo)進行足夠有效打擊。
[0008]本發(fā)明所述的含能藥型罩是由以下質(zhì)量百分含量的原料混合壓制得到:鋁粉15?35%、金屬氧化物55?80%、二茂鐵I?5%、粘結(jié)劑I?8%。
[0009]其中，所述的金屬氧化物為a-Fe203、γ-Fe203、Fe304、Cu0、Mn02、Cr203、Sn02、Pb02、Pb304、Bi203中的一種或幾種ο
[0010]本發(fā)明所使用的粘結(jié)劑為氟橡膠(F2641)與聚苯乙烯(PS)的復(fù)合體系。優(yōu)選地，所述復(fù)合體系中，F(xiàn)2641占粘結(jié)劑總質(zhì)量的35?70%，PS占粘結(jié)劑總質(zhì)量的30?65%。
[0011]本發(fā)明所述用于制備藥型罩的原料中，所述鋁粉的顆粒大小為60nm?20μπι，金屬氧化物的顆粒大小為30nm?5μηι。
[0012]本發(fā)明中，所述鋁粉與金屬氧化物的質(zhì)量比滿足下列化學(xué)方程式中零氧平衡的化學(xué)計量比。
[0013]2Α1 + Fe2O3 = 2Fe + Al2O3。
[0014]2.667A1 + Fe3O4 = 3Fe + 1.333Α1203ο
[0015]2A1 + 3Cu0 = 3Cu + Al2O3o
[0016]2A1 + 1.5Mn02 = 1.5Mn + Al2O3。
[0017]2A1 + Cr2O3 = 2Cr + Al2O3。
[0018]2A1 + 1.5Sn02 = 1.5Sn + Al2O3。
[0019]2A1 + 1.5Pb02 = 1.5Pb + Al2O3。
[0020]2.667A1 + Pb3O4 = 3Pb + 1.333A1203。
[0021]2A1 + Bi2O3 = 2Bi + AI2O3。
[0022]本發(fā)明所述以微納米鋁熱劑為材料的含能藥型罩可以采用下述方法制備得到:
I)將所述質(zhì)量百分含量的鋁粉、金屬氧化物、二茂鐵在球磨介質(zhì)無水乙醇存在下進行球磨混合，干燥得到鋁熱劑物料； 2)將所述質(zhì)量百分含量的粘結(jié)劑溶解在有機溶劑中得到粘結(jié)劑溶液；
3)將粘結(jié)劑溶液與鋁熱劑物料混合均勻，制成粒徑不大于12目的濕粒，干燥得到造粒的鋁熱劑顆粒；
4)將鋁熱劑顆粒加入藥型罩模具中，冷壓成型制成含能藥型罩。
[0023]其中，所述制備方法中，物料的干燥溫度均控制在50?70°C。
[0024]本發(fā)明中，所述有機溶劑為能夠溶解所述粘結(jié)劑的任何溶劑，優(yōu)選地，所述溶劑為乙酸乙酯或四氫呋喃。
[0025]具體地，本發(fā)明所述含能藥型罩是在5?50MPa的壓力下冷壓成型得到。
[0026]進一步地，本發(fā)明將冷壓成型得到的含能藥型罩在50?80°C下保溫2?8天，以得到含能藥型罩成品。
[0027]本發(fā)明采用放熱量更高、密度更大、加工成型性能更好的鋁熱劑作為藥型罩材料，并采用添加粘結(jié)劑再冷壓成型的工藝，制備出了一種自身具有反應(yīng)性能的藥型罩一一含能藥型罩。這種藥型罩的特點是能量密度高、安全性能好，在炸藥驅(qū)動時不會立即反應(yīng)，但侵徹過程中可以發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)并放出極高的熱量，由于化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于炸藥爆炸的速率，故反應(yīng)持續(xù)時間長，且生成高溫?zé)霟岬?>20000C )、具有流動性的反應(yīng)產(chǎn)物，增加毀傷目標(biāo)的能力。
[0028]本發(fā)明所述含能藥型罩中采用了可以自蔓延燃燒的含能材料，反應(yīng)的放熱量遠(yuǎn)大于Al-Ni合金化的放熱量，且在制備過程中采用&641與?3的組合作為粘結(jié)體系，保證了藥型罩的機械強度。本發(fā)明中，催化劑二茂鐵的加入也十分關(guān)鍵。二茂鐵被加熱時很容易失去茂環(huán)上的取代基生成二茂鐵正離子，此正離子還原性很強且很不穩(wěn)定，極易與藥型罩中的金屬氧化物發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，促進金屬氧化物分解并放出熱量。同時，二茂鐵分解時失去的取代基受熱也會發(fā)生進一步分解，產(chǎn)生放熱反應(yīng)，這些放熱反應(yīng)不但在熱力學(xué)上為鋁與金屬氧化物的自蔓延反應(yīng)提供了初始能量，而且在動力學(xué)上也加速了鋁與金屬氧化物的反應(yīng)速率，使藥型罩的放熱強度更高。
[0029]與傳統(tǒng)的惰性藥型罩及已報道的活性藥型罩對比