新型铝基稀土合金的结构与能量释放的构效关系研究

As an important component in explosive, aluminum powder has some inherent disadvantages, such as high ignition temperature, incomplete combustion and incomplete release of energy, because the dense alumina protective film formed in the combustion process is easy to prevent further combustion of the elemental aluminum inside aluminum particles, which limits to further enhance performance of explosive.To overcome these disadvantages, this project proposed to add the good flammability rare earth Ce and Eu, alloyed with aluminum to prepare the novel fuel. The project aims to design and prepare series Al-Eu and Al-Ce alloy powder with computational material science and melt atomizing method,and adjust the different material structure of fuels with different heat treatment, especially, focus on the alloy particle phase structure, phase distribution, phase transformation during heat treatment, phase separation in the oxidation process, the alloy phase disappears in the combustion process and the laws of corresponding energy release and energy release mode in these transitions, etc., and establish the structure-activity relationships between material structure and energy release properties, and the corresponding oxidation kinetics model of the different structure particles in the different reaction mechanism. The theoretical guidance will be provided for the design of a series of alloy fuels with excellent performance properties and for higher demand of metal fuel in explosive field.

单质金属铝粉作为火炸药重要组成，由于燃烧过程中易形成致密氧化铝保护膜，阻止了铝颗粒内部单质铝进一步燃烧，导致燃料高点火温度、燃烧不充分和能量释放不完全等缺点，限制了火炸药性能进一步提升。为了克服这些缺点，本项目提出添加可燃性好的稀土金属铈（Ce）和铕（Eu），与金属铝进行合金化制备新型合金燃料。拟采用计算材料学和熔融喷雾法来设计和制备系列Al-Eu和Al-Ce合金粉，用不同热处理手段调节不同种类合金燃料的组织结构，重点研究新型铝基稀土合金燃料颗粒内部相组成、相结构、相分布、热处理过程中相转变、氧化过程中相分离、燃烧过程中合金相消失以及这些转变过程中对应的能量释放量和能量释放方式等方面的科学规律，建立组织结构与能量释放性能的构效关系和不同结构合金粉反应机制对应的氧化动力学模型，为设计出不同系列、性能优良的合金燃料提供理论指导，满足火炸药领域对金属燃料更高要求的需求。

为了提高金属燃料的燃烧效率，本项目分别采用计算材料学和熔融喷雾法来设计和制备出了不同成分系列的Al-Eu和Al-Ce合金粉，通过XRD、SEM/EDS以及金相观察等现代表征分析方法对合金粉末反应前后的组织结构分别进行了表征。研究了Ce、Eu两种稀土元素对铝基合金燃料热性能的影响规律。同时采用不同热处理手段对新型铝基稀土合金燃料颗粒进行了处理，研究了其对合金燃料氧化燃烧过程中能量释放量和能量释放方式的影响规律。.结果表明，在1065 ℃的温度下，Al-3Eu合金粉末的氧化放热焓高达8108.2μV·s·mg-1，几乎是单质Al粉的5倍，而氧化增重达到了61.1%，且合金粉末的氧化峰随稀土铕含量增加往低温方向偏移。Al-3Eu合金粉末由单质Al和Al4Eu金属间化合物两种物相组成，Al4Eu偏聚于晶界，将颗粒内部的细小的单质Al晶粒隔离开来，形成一种特殊的“微纳结构”。晶界处Al4Eu相能有效促进合金颗粒完全燃烧。热处理能有效调节Al-3Eu合金粉末的组织结构，改善其氧化燃烧性能。在400ºC的氩气环境下Al-3Eu合金颗粒内部晶粒尺寸随退火时间的延长而增大。退火0.5h后合金粉的氧化放热焓达到了9243.4μV·s·mg-1，而退火2h后合金粉的氧化增重也达到了78.8%，均优于未经热处理的Al-3Eu合金粉末。Al-3Eu对AP的催化分解研究显示，AP的低温和高温分解峰温分别降低约8和60 ℃，分解热增加约400 μV·s·mg-1。Al-3Eu的添加显著促进了AP的分解过程。.Al-Ce合金中少量的Ce固溶在单质Al基体中，合金粉均只发生一次氧化反应，Ce含量为1%时合金粉活性最佳。快冷的Al-Ce合金晶粒更细、起始氧化温度比慢冷的低。1300℃时合金粉的氧化并不完全。不同热处理对 Al-Mg-Ce合金燃料的结构和热性能研究结果表明，稀土Ce的添加使Al-Mg-Ce合金第一个放热峰开始温度比Al-Mg合金粉低160 ℃，热性能较好的Al-15Mg-1Ce合金粉的氧化放热焓为6413 μV·s/mg，1300 ℃时的增重为90%。.本项目为新型合金燃料的能量释放温度和释放方式两方面提供了数据支撑，为不同性能的系列新型合金燃料设计提供了理论指导，可更好的满足火炸药领域对高性能金属燃料的迫切需求。