本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含能結(jié)構(gòu)材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

高效毀傷是遠(yuǎn)程精確打擊的根本目的，目前武器的毀傷主要依靠以傳統(tǒng)彈藥為核心的戰(zhàn)斗部，因此發(fā)展高毀傷彈藥是提升遠(yuǎn)程精確打擊武器的核心任務(wù)之一。傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部主要由金屬殼體、炸藥以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件等組成，炸藥是戰(zhàn)斗部毀傷目標(biāo)的能源，為提高戰(zhàn)斗部的毀傷威力，一般采用提高炸藥裝填量和單位質(zhì)量炸藥能量的方式來實(shí)現(xiàn)，由于受到使用條件以及材料水平的限制，炸藥的裝填量存在極限，而炸藥能量密度的提高也十分困難。此外，炸藥能量釋放與轉(zhuǎn)換過程中毀傷元所獲得的能量是炸藥全部能量的一小部分，炸藥裝填量或能量密度的稍許提高并不一定能帶來對(duì)目標(biāo)毀傷效果的大幅度提升。因此，戰(zhàn)斗部毀傷效能的提高需要拓展新的技術(shù)途徑。

常見條件下穩(wěn)定性高，但高速撞擊可引發(fā)組分間放熱反應(yīng)的含能材料常稱為反應(yīng)材料（Reactive Materials，RMs），有高力學(xué)性能的反應(yīng)材料稱為反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料或含能結(jié)構(gòu)材料。采用含能結(jié)構(gòu)材料制成戰(zhàn)斗部的破片、藥型罩以及殼體結(jié)構(gòu)等部件，在炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)下形成毀傷元，通過爆炸加載、高速?zèng)_擊等方式給毀傷元施加反應(yīng)所需的臨界能量，促使其自身組元之間或者組元與環(huán)境之間發(fā)生反應(yīng)二次釋能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的引燃、引爆毀傷。含能結(jié)構(gòu)材料在彈藥中的應(yīng)用是提高現(xiàn)有彈藥性能的一種新途徑（徐松林，陽世清，張煒等， PTFE/Al反應(yīng)材料的力學(xué)性能研究。高壓物理學(xué)報(bào)，2009，23(5): 384~388. 楊益，鄭穎，王坤， 高密度活性材料及其毀傷效應(yīng)進(jìn)展研究，兵器材料科學(xué)與工程. 2013, 36(4): 81-85。宋磊，李寶鋒，陳皓，美海軍演示用“高密度活性材料”提高戰(zhàn)斗部爆炸威力，裝備參考. 2011，49：32-33.）。

含能結(jié)構(gòu)材料在使用時(shí)承受的外力主要有炸藥驅(qū)動(dòng)時(shí)的壓應(yīng)力、飛行卸載時(shí)的拉應(yīng)力、沖擊減速時(shí)的壓應(yīng)力和穿透目標(biāo)卸載時(shí)的拉應(yīng)力，因此含能結(jié)構(gòu)材料一般需要具有以下特征：（1）具有足夠高的強(qiáng)度，一方面確保材料可以作為結(jié)構(gòu)件如戰(zhàn)斗部殼體使用，另一方面確保在爆炸驅(qū)動(dòng)和侵徹目標(biāo)過程中的完整性；（2）具有合適的反應(yīng)潛熱和潛熱釋放能力，保證高速撞擊時(shí)的能量釋放特性；（3）適中的密度，確保材料必備的侵徹性能。

為了獲取滿足上述要求的含能結(jié)構(gòu)材料，申請(qǐng)?zhí)枮?01510733993.8的中國(guó)專利提出了一種含能材料的制備方法，該方法利用模壓、燒結(jié)成型的方法制備含能結(jié)構(gòu)材料，采用該方法得到的Al/W/PTFE含能材料相較于傳統(tǒng)的Al/PTFE（Al:26.4wt%；PTFE:73.6wt%）含能材料在抗壓強(qiáng)度和密度方面均有大幅提高，而含能材料的反應(yīng)閾值也有所提高。但該類材料拉伸強(qiáng)度較低，一般不超過30MPa。

專利號(hào)為201410176443.6的中國(guó)專利提出了一種含能結(jié)構(gòu)材料，該材料由Al粉、KClO₃粉和W粉三種粉末混合壓制而成，材料在爆炸加速過程中足夠鈍感不發(fā)生反應(yīng)，具有較大的侵徹威力，并能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放能量，增加毀傷目標(biāo)能力。但該材料采用混粉后冷壓成型，材料強(qiáng)度主要靠粉末之間的機(jī)械嚙合力，強(qiáng)度較低。

申請(qǐng)?zhí)枮?01610044485.3的中國(guó)專利提出了一種含能結(jié)構(gòu)材料破片，該材料由納米鋁粉、過渡金屬氧化物、氧化劑、二茂鐵、猛炸藥和混合粘結(jié)劑混合后冷壓成型得到，利用該材料制備的含能破片能量密度高、安全性能好、容易引發(fā)且縱火能力強(qiáng)，在炸藥驅(qū)動(dòng)時(shí)不會(huì)立即反應(yīng)，但侵徹過程中可以發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)并放出極高的熱量，且能生成高溫?zé)霟岬?、具有流?dòng)性的反應(yīng)產(chǎn)物。該材料的強(qiáng)度主要由粘結(jié)劑來決定，強(qiáng)度仍然較低。

專利號(hào)為201110440556.9的中國(guó)專利和申請(qǐng)?zhí)枮?01510606975.3的中國(guó)專利提出了二種制備鎢鋯合金含能結(jié)構(gòu)材料的方法，利用該方法制備出的材料具有相對(duì)較好的力學(xué)性能，但該材料主要靠鋯元素與環(huán)境中的氧氣作用釋放出能量，潛熱釋放能力較差，因此對(duì)燃油的引燃和炸藥的引爆效果一般，需要在特定的條件下才有可能。

由此可見，目前公開報(bào)道含能結(jié)構(gòu)材料的綜合性能距離實(shí)際需求還具有一定的距離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)度、高反應(yīng)潛熱和良好的沖擊反應(yīng)特性的含能結(jié)構(gòu)材料，還相應(yīng)提供一種材料組分間無不良化學(xué)反應(yīng)的上述含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，另外，還提供該含能結(jié)構(gòu)材料在戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

種含能結(jié)構(gòu)材料，包括以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：

鋁或鋁合金 10%～60%

高密度金屬　 　35%~89.5%，和

金屬氧化物 0.5%～5.0%；

其中，鋁或鋁合金為連續(xù)基體相，高密度金屬和金屬氧化物均勻分布在所述連續(xù)基體相中。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)選的，所述高密度金屬為Ni、W、Ta、Hf、Ti和Zr中的一種或幾種。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)選的，所述金屬氧化物為Fe₂O₃、Fe₃O₄、PbO、CuO、MnO₂、WO₃、Bi₂O₃和MoO₃中的一種或幾種。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)選的，所述高密度金屬為Ni、W或Ta中的一種或幾種。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)選的，所述金屬氧化物為WO₃或MoO₃。

作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）混料：根據(jù)含能結(jié)構(gòu)材料的配方，將鋁粉、高密度金屬粉末、和金屬氧化物粉末進(jìn)行混合，得到混合粉末；

（2）預(yù)成型：對(duì)混合粉末進(jìn)行冷壓，得到預(yù)成型體；

（3）燒結(jié)：對(duì)預(yù)成型體進(jìn)行燒結(jié)，得到塊狀含能結(jié)構(gòu)材料。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1）中，所述混合粉末的粒度為0.1μm～50μm；所述步驟（2）中，所述冷壓壓力為100MPa～600MPa，時(shí)間為1min～10min。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（3）中，所述燒結(jié)包括常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。

上述的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（3）中，所述燒結(jié)的溫度為300℃～600℃，保溫時(shí)間為0.5h～3h；所述熱壓燒結(jié)的壓力為100MPa～600MPa。

作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的含能結(jié)構(gòu)材料或上述的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法所制備的含能結(jié)構(gòu)材料在戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的含能結(jié)構(gòu)材料，與現(xiàn)有的含能結(jié)構(gòu)材料相比，是一種金屬型的含能結(jié)構(gòu)材料，材料中金屬組分含量在95%以上；材料中鋁或鋁合金為連續(xù)基體相，其它高密度金屬顆粒及金屬氧化物顆粒均勻分布在鋁基體相中，具有一定的強(qiáng)化作用，保證材料具有高的強(qiáng)度。為了使鋁在成形過程中形成連續(xù)基體相從而使該含能結(jié)構(gòu)材料具有高的強(qiáng)度，材料中低密度Al的質(zhì)量含量在10%～60%之間；另外，添加了0.5～5.0wt%的金屬氧化物，該范圍內(nèi)的金屬氧化物含量對(duì)材料強(qiáng)度影響較小，可以在不明顯改變材料強(qiáng)度的情況下，改變材料的沖擊反應(yīng)特性，使得該含能結(jié)構(gòu)材料具有良好的沖擊反應(yīng)特性。優(yōu)選地，通過調(diào)整材料的組分特別是重金屬元素W、Ta和Hf的含量，可以在一定范圍內(nèi)改變材料的密度，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

2、本發(fā)明的含能結(jié)構(gòu)材料，由于主要組分均為具有高燃燒熱值的元素，因而具有很高的反應(yīng)潛熱。在沖擊載荷的作用下，除了發(fā)生材料組分之間的化學(xué)反應(yīng)，如Al和Ni反應(yīng)生成AlNi、Al₃Ni₂和Al₃Ni，Al和CuO反應(yīng)生成Cu和Al₂O₃等之外，如果環(huán)境中有氧氣，還會(huì)發(fā)生材料組分與氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)，如Al和O₂反應(yīng)生成Al₂O₃、Zr和O₂反應(yīng)生成ZrO₂等，在這些過程中釋放出大量的熱量。

3、試驗(yàn)表明，鋁或鋁合金的含量、成形壓力、成形度和保溫時(shí)間都對(duì)含能結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度有較大的影響。本發(fā)明的含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，通過嚴(yán)格控制成形工藝，確保了成形后材料具有盡可能高的強(qiáng)度，且材料中各組分之間沒有不良化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，無其它相生成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的XRD圖譜。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的斷口SEM圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的拉伸曲線。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在約900m/s撞擊速度下的沖擊反應(yīng)照片。

圖5為對(duì)比例1的未添加金屬氧化物Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在約900m/s撞擊速度下的沖擊反應(yīng)照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

一種本發(fā)明的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料，包括Al、Ni和金屬氧化物MoO₃，Al、Ni和MoO₃的質(zhì)量比為48∶50∶2，其中，鋁為連續(xù)基體相，Ni和MoO₃均勻分布在鋁基體相中。

一種上述本實(shí)施例的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）混料：按照Al粉、Ni粉和MO₃粉質(zhì)量比為48∶50∶2的比例分別稱取Al粉240g、Ni粉250g和MoO₃粉10g，將稱好的各種粉末在球磨機(jī)中混合均勻，所得混合粉末的粒徑為0.5μm ~20μm；

（2）預(yù)成形：稱取混合粉末200g，均勻鋪設(shè)在凹模的底層，然后通過凸膜對(duì)鋪設(shè)的粉末施加300MPa的壓力并保壓3min，卸壓；

（3）燒結(jié)：將上述模具及模內(nèi)的預(yù)成形體按5℃/min升溫速率升至380℃，恒溫90min后再施加400MPa的壓力并恒壓5min，脫模，得到Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料。

圖1為本實(shí)施例的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的XRD圖譜，由圖可知，該Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的主要由金屬Ni和Al組成，沒有Ni-Al間金屬間化合物相的存在。另外由于材料中MoO₃的含量較少，因此也沒有觀察到MoO₃衍射峰的存在。

圖2為本實(shí)施例的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的斷口SEM圖，可以看出，塊狀的連續(xù)基體相為Al， Ni顆粒及金屬氧化物MoO₃顆粒均勻分布在鋁基體相中。

圖3為本實(shí)施例的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的拉伸曲線，由圖可知，該Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的拉伸強(qiáng)度約為230MPa，遠(yuǎn)大于PTFE/Al類含能結(jié)構(gòu)材料（不超過30MPa）。

另外，經(jīng)測(cè)算，該Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料的密度約為4.10g/cm³，高燃燒熱值元素Al和Ni的質(zhì)量含量約為96%。

對(duì)比例1：

本對(duì)比例的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料制備方法與實(shí)施例1相同，其不同點(diǎn)僅在于：材料中不包括金屬氧化物MoO₃。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在約900m/s撞擊速度下的沖擊反應(yīng)照片；圖5為對(duì)比例1的未添加金屬氧化物Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在約900m/s撞擊速度下的沖擊反應(yīng)照片。對(duì)照?qǐng)D4和圖5可知，實(shí)施例1中添加金屬氧化物MoO₃的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在900m/s撞擊速度下具有很大的反應(yīng)火光面積，而對(duì)比例1中未添加金屬氧化物MoO₃的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料在相同撞擊速度下反應(yīng)火光面積非常小，顯示出本發(fā)明實(shí)施例1的Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料具有良好的沖擊反應(yīng)特性。

實(shí)施例2：

一種本發(fā)明的Ni-Al-W含能結(jié)構(gòu)材料，包括Al、高密度金屬Ni和W，以及金屬氧化物MoO₃、WO₃，Al、Ni、W、MoO₃和WO₃的質(zhì)量比為17∶19∶60∶2∶2，其中，鋁為連續(xù)基體相，Ni、W、MoO₃和WO₃均勻分布在鋁基體相中。

（1）混料：按照Al粉、Ni粉、W粉、MoO₃和WO₃粉質(zhì)量比為17∶19∶60∶2∶2的比例分別稱取Al粉85g、Ni粉95g、W粉300g、MO₃粉10g和WO₃粉10g，將稱好的各種粉末在球磨機(jī)中混合均勻，所得混合粉末的粒徑為0.5μm ~20μm；；

（2）預(yù)成型：稱取混合粉末200g，均勻鋪設(shè)在凹模的底層，然后通過凸膜對(duì)鋪設(shè)的粉末施加300MPa的壓力并保壓3min，卸壓；

（3）燒結(jié)：將上述模具及模內(nèi)的預(yù)成型體按5℃/min升溫速率升至400℃，恒溫90min后再施加400MPa的壓力并恒壓5min，脫模，得到Ni-Al-W含能結(jié)構(gòu)材料。

所述含能結(jié)構(gòu)材料中高燃燒熱值元素Al和Ni的質(zhì)量含量約為37%，密度約為8.0g/cm³，拉伸強(qiáng)度約為210MPa。

實(shí)施例3：

一種本發(fā)明的Al-W-Ta含能結(jié)構(gòu)材料，包括Al、高密度金屬W和Ta，以及金屬氧化物WO₃，Al、W、Ta和WO₃的質(zhì)量比為20∶34∶43∶3，其中，鋁為連續(xù)基體相， W、Ta和WO₃均勻分布在鋁基體相中。

（1）混料：按照Al粉、W粉、Ta粉和WO₃粉質(zhì)量比為20∶34∶43∶3的比例分別稱取Al粉100g、W粉170g、Ta粉215g和WO₃粉15g，將稱好的各種粉末在球磨機(jī)中混合均勻，所得混合粉末的粒徑為0.5μm ~50μm；

（2）預(yù)成型：稱取混合粉末200g，均勻鋪設(shè)在凹模的底層，然后通過凸膜對(duì)鋪設(shè)的粉末施加400MPa的壓力并保壓3min，卸壓；

（3）燒結(jié)：將上述模具及模內(nèi)的預(yù)成型體按5℃/min升溫速率升至480℃，恒溫90min后再施加500MPa的壓力并恒壓5min，脫模，得到Al-W-Ta含能結(jié)構(gòu)材料。

所述含能結(jié)構(gòu)材料中高燃燒熱值元素Al和Ta的質(zhì)量含量約為63%，材料的密度約為8.05g/cm³，拉伸強(qiáng)度約為280MPa。

實(shí)施例4：

一種本發(fā)明的Al-Ni-Ta-Zr含能結(jié)構(gòu)材料，包括Al、高密度金屬Ni、Ta和Zr，以及金屬氧化物WO₃，Al、Ni、Ta、Zr和WO₃的質(zhì)量比為32∶14∶43∶10∶1，其中，鋁為連續(xù)基體相，Ni、Ta、Zr和WO₃均勻分布在鋁基體相中。

（1）混料：按照Al粉、Ni粉、Ta粉、Zr粉和WO₃粉質(zhì)量比為32∶14∶43∶10∶1的比例分別稱取Al粉160g、Ni粉70g、Ta粉215g、Zr粉50g和WO₃粉5g，將稱好的各種粉末在球磨機(jī)中混合均勻，所得混合粉末的粒徑為0.5μm ~50μm；

（2）預(yù)成型：稱取混合粉末200g，均勻鋪設(shè)在凹模的底層，然后通過凸膜對(duì)鋪設(shè)的粉末施加400MPa的壓力并保壓3min，卸壓；

（3）燒結(jié)：將上述模具及模內(nèi)的預(yù)成型體按5℃/min升溫速率升至400℃，恒溫90min后再施加500MPa的壓力并恒壓5min，脫模，得到Al-Ni-Ta-Zr含能結(jié)構(gòu)材料。

所述含能結(jié)構(gòu)材料中高燃燒熱值元素Al、Ni、Ta和Zr的質(zhì)量含量約為99%，材料的密度約為5.35g/cm³，拉伸強(qiáng)度約為200MPa。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。