熊 瑋，張先鋒，陳亞旭，丁 力，包 闊，陳海華

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.陸軍裝備部，北京 100072）

Al/Ni 材料是一種典型的含能結(jié)構(gòu)材料，近幾年受到了廣泛關(guān)注。在物理性能方面，Al/Ni 材料具有高熔點、高比強度等特性[1]。而在化學反應(yīng)特性方面，在不同的溫度或沖擊加載條件下，該材料能發(fā)生化學反應(yīng)并產(chǎn)生NiAl3、NiAl、Ni2Al3和Ni3Al 等不同的反應(yīng)產(chǎn)物[2-3]。由于它兼具較好的力學性能和化學反應(yīng)釋能特性，Al/Ni 材料可廣泛應(yīng)用于含能破片、含能藥型罩等含能毀傷元中，提高對目標毀傷效能，也可應(yīng)用于沖擊反應(yīng)增韌防護材料中，提高其綜合防護能力，因而在未來高效毀傷和防護技術(shù)上，它有非常廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

Al/Ni 材料通常通過粉末壓制成型[7-9]，該方法具有制備成本低、工藝簡單的優(yōu)點，而材料性能通常由原始粉末的形狀、顆粒大小及所壓制試件的密實度等決定。除此之外，由冷軋技術(shù)制備的Al/Ni 多層復合材料，也在近十年來受廣泛的關(guān)注。Al/Ni 材料的冷軋技術(shù)指在一定壓下量（＞50%）下將相互間隔的Al 板和Ni 板進行軋制而結(jié)合在一起，把軋制板切割并再次疊加在一起重復軋制多道次的過程[10]。與粉末壓制材料相比，Al/Ni 多層復合材料細觀結(jié)構(gòu)的不均勻性較為明顯，且其沖擊壓縮特性除了與材料層的厚度相關(guān)，還與材料載荷方向相關(guān)[11-13]。Kelly 等[14]基于激光驅(qū)動飛片技術(shù)研究了Al/Ni 多層復合材料的沖擊壓縮特性，并結(jié)合高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscopy，TEM)，推測在材料內(nèi)部的不均勻處更容易引發(fā)化學反應(yīng)。此外，由冷軋技術(shù)制備的Al/Ni 多層復合材料界面間通常會出現(xiàn)一定的金屬間化合物，對該類材料高溫自蔓延合成(self-propagating high-temperature synthesis，SHS)過程的反應(yīng)速度有一定的影響[15]。目前，關(guān)于Al/Ni 多層復合材料的化學反應(yīng)行為的研究，主要集中在基于差示掃描量熱法 (differential scanning calorimetry，DSC) 的加熱速率為20～40 ℃/min的SHS 過程上[15-17]，而對沖擊釋能特性的研究較少。

本文中，利用準靜態(tài)壓縮實驗技術(shù)和準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗技術(shù)[18]，對不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料的力學性能和沖擊誘發(fā)化學反應(yīng)(shock-induced chemical reaction，SICR)行為進行研究。從細觀角度，結(jié)合不同Al/Ni 多層復合材料的細觀結(jié)構(gòu)特征，對其宏觀力學響應(yīng)及沖擊響應(yīng)規(guī)律進行解釋。初步確定軋制道次不同所引起的細觀結(jié)構(gòu)差異對Al/Ni 多層復合材料的宏觀力學響應(yīng)及沖擊釋能行為的影響規(guī)律。

1 材料細觀結(jié)構(gòu)與力學性能

1.1 材料細觀結(jié)構(gòu)

基于冷軋技術(shù)制備了2～5 道次4 種不同的Al/Ni 多層復合材料，研究軋制道次對Al/Ni 細觀結(jié)構(gòu)、力學性能及SICR 行為的影響機制。選用原始厚度為0.8 mm 的Al 板和0.5 mm 的Ni 板為原材料，以保證材料化學計量比接近于1∶1(實際為1.09∶1)，從而保證具有良好化學反應(yīng)性能[19]。

復合材料的性能通常與其細觀結(jié)構(gòu)(顆粒尺寸、形狀、配比等)緊密相關(guān)。利用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)得到了能夠反映上述4 種Al/Ni 多層復合材料細觀結(jié)構(gòu)的照片(均采用30 倍的放大比)，并對典型的細觀厚度尺寸進行標記，如圖1 所示。其中，顏色較深的相為Al，而顏色較淺的相為Ni。從圖1 可以看出，基于冷軋技術(shù)制備的Al/Ni 多層復合材料的細觀結(jié)構(gòu)主要以Al 為基體，而Ni 散布其中。這是由于Al、Ni 兩種材料力學性能不同，冷軋過程中相對較硬的Ni 板在大變形條件下發(fā)生了頸縮和斷裂。冷軋后的Al、Ni 兩相材料呈條狀平行、交錯分布。隨著冷軋次數(shù)的增多，各相材料的厚度逐漸減小，且材料細觀形狀逐漸變得不規(guī)則。與其他軋制道次的Al/Ni 多層復合材料相比，冷軋4 道次材料的細觀結(jié)構(gòu)中，Ni 相的形狀、厚度及長度的不均勻性尤為明顯，如圖1(c)所示。

圖 1 不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料細觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructures of Al/Ni multi-layered composites manufactured by cold rolling with 2-5 passes

放大倍數(shù)為500 的SEM 照片如圖2 所示。從圖2 可以看出，在Al、Ni 兩相界面處存在一種顏色不同且不連續(xù)的第三相，為軋制過程中大變形條件下引起原子擴散而產(chǎn)生的金屬間化合物。其中，在冷軋2 道次材料的界面處僅有極少量的化合物，隨著冷軋次數(shù)的增加，化合物的含量也逐漸增加，直至在冷軋5 道次材料界面處產(chǎn)生較為連續(xù)的化合物。

圖 2 Al 和Ni 兩相界面處的SEM 照片F(xiàn)ig.2 AI/Ni interface microstructures reflected from SEM photographs

1.2 材料力學性能

通過準靜態(tài)壓縮實驗測試了4 種Al/Ni多層復合材料在10-3s-1應(yīng)變率下的力學性能，并將相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線與粉末壓制的Al/Ni 復合材料[9]進行對比，如圖3 所示。由實驗結(jié)果可以看出，粉末壓制的Al/Ni 復合材料的應(yīng)力在達到屈服點后迅速下降，而基于冷軋技術(shù)制備的Al/Ni多層復合材料在準靜態(tài)壓縮過程中有明顯的應(yīng)變強化階段。隨著冷軋道次從2 增至5，材料的抗壓強度整體呈上升趨勢（依次為150、177、172 和194 MPa），這主要是由于軋制過程中各相材料的強度和界面黏結(jié)力均有所加強。然而，由于冷軋4 道次的Al/Ni 多層復合材料細觀結(jié)構(gòu)中斷裂的Ni 板形狀和尺寸均存在較大的不均勻性，材料在不均勻處更易產(chǎn)生破壞，從而造成該材料的強度略低于冷軋3 道次材料。

由于細觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，準靜態(tài)壓縮實驗中每種Al/Ni 多層復合材料中均產(chǎn)生幾種不同的裂紋形狀，如圖4(a)～(b)所示。通過與原始試件對比可以看出，在壓縮載荷下，Al/Ni 多層復合材料試件發(fā)生了顯著的鐓粗變形。Al/Ni 多層復合材料主要的裂紋形狀可以歸納為相互平行或相交的45°裂紋組合的形式。為了研究壓縮載荷下Al/Ni 多層復合材料破壞機制，獲取了實驗后無明顯裂紋及有明顯裂紋材料的SEM 照片，如圖4(c)～(d)所示。從圖4(c)可以看出，壓縮載荷下，Al 相和Ni 相之間的金屬間化合物先發(fā)生破壞。另外，根據(jù)Wei 等[20]的研究，復合材料的強度主要由基體材料決定，則本文中的Al/Ni 多層復合材料的強度主要由Al 相決定。在Al、Ni 兩相中，Al 的硬度相對較低，因此在壓縮過程中容易被硬度較高的Ni 顆粒擠壓破壞。在準靜態(tài)壓縮過程中，細觀尺度上界面處鋁鎳化合物及Al 相中的裂紋不斷擴展，最終在宏觀尺度上出現(xiàn)了不同裂紋組合形狀的破壞模式。

圖 3 不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料準靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curves of Al/Ni multi-layered composites under quasi-static compression

圖 4 Al/Ni 多層復合材料的準靜態(tài)壓縮實驗結(jié)果Fig.4 Typical pictures for quasi-static compressive cracks of Al/Ni multi-layered composites

2 準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗

2.1 實驗方案

準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗是一種典型的含能材料沖擊釋能特性的測試實驗[18]，實驗系統(tǒng)主要由14.5 mm 彈道槍、測速系統(tǒng)、密閉反應(yīng)容器、高速攝影機、壓阻傳感器及相關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖5所示。密閉反應(yīng)容器近似于圓柱型，長為630 mm，內(nèi)徑為270 mm，容積約為35.2 L。容器的破片入射端由一層0.5 mm 厚的前置鐵皮密封，距入射端335 mm 處有一塊15 mm 厚的鋼靶固定于容器內(nèi)部。壓阻傳感器安裝在容器內(nèi)壁距入射端230 mm 處，其型號為CYG145，量程為2 MPa，用以記錄容器內(nèi)部的壓力變化。容器一側(cè)有透明的觀測窗，采用高速攝像儀觀測Al/Ni 多層復合材料的反應(yīng)情況。

圖 5 準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗布局圖[9]Fig.5 An experimental layout of double impact initiation experiment

2.2 結(jié)果分析與討論

彈道槍發(fā)射的Al/Ni 破片穿透鐵皮后，撞擊容器內(nèi)部的鋼靶，Al/Ni 多層復合材料內(nèi)部將在強烈的沖擊作用下發(fā)生顆粒塑性變形、顆粒融合及孔隙壓實等過程，引起材料內(nèi)部的溫度升高。通過不同冷軋道次制備的Al/Ni 多層復合材料的細觀結(jié)構(gòu)特性存在差異，可能影響沖擊加載下材料內(nèi)部的溫度分布，從而改變材料的沖擊釋能特性。因此，為了考察冷軋道次對Al/Ni 多層復合材料SICR 特性的影響，選取冷軋3～5 道次共3 種典型的Al/Ni 多層復合材料進行準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗。

2.2.1 沖擊誘發(fā)化學反應(yīng)特征

以冷軋3 道次的Al/Ni 多層復合材料為例，對準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗中Al/Ni 破片的SICR 特性進行分析。用高速攝像儀拍攝Al/Ni 破片撞擊密閉反應(yīng)容器中的鋼靶后容器內(nèi)的火光情況，并與等質(zhì)量普通鋼制破片得到的結(jié)果進行對比，如圖6 所示。從高速攝像照片可以看出，破片撞擊鋼靶后在強烈的沖擊和摩擦作用下發(fā)出火光。將容器內(nèi)初始出現(xiàn)火光的時間設(shè)定為零，可以發(fā)現(xiàn)撞擊鋼靶后，鋼制破片產(chǎn)生微弱的火光并迅速減弱甚至消失。相比而言，Al/Ni 多層復合材料產(chǎn)生的火光先變強再逐漸減弱，并且持續(xù)時間較長，說明其中產(chǎn)生了化學反應(yīng)，釋放了能量。另外，撞擊速度為1 382 m/s 時容器內(nèi)的火光比841 m/s 時更強烈，且持續(xù)時間更長，說明在一定撞擊速度范圍內(nèi)，材料內(nèi)部僅發(fā)生部分化學反應(yīng)[21]，且較高撞擊速度條件下材料化學反應(yīng)效率更高，從而釋放更多的化學能。

圖 6 典型的容器內(nèi)破片沖擊反應(yīng)的照片F(xiàn)ig.6 Typical photographs of impact reaction in experimental chamber

通過壓阻傳感器測得的冷軋3 道次Al/Ni 多層復合材料在1 406 m/s 撞擊速度下容器內(nèi)超壓曲線，如圖7(a)所示。該曲線主要由噪聲信號和準靜態(tài)壓力組成，其中噪聲信號為在零壓附近高頻振動的周期性信號，而準靜態(tài)壓力由材料撞擊鋼靶并釋放化學反應(yīng)能產(chǎn)生?；谶@個特性，進行濾波處理，可提取出準靜態(tài)壓力曲線，如圖7(b)中1 406 m/s 撞擊速度對應(yīng)的曲線所示。壓力峰值記為Δpm，相應(yīng)的時間記為tm，相關(guān)實驗參數(shù)及結(jié)果見表1。Al/Ni 多層復合材料SICR 釋放的能量引起容器內(nèi)壓力迅速上升，而容器內(nèi)部的與外部通過前置鐵皮上的破片穿孔連通而引起壓力卸載，最終使準靜態(tài)壓力衰減至初始狀態(tài)。冷軋3 道次Al/Ni 多層復合材料在3 種典型撞擊速度下的準靜態(tài)壓力曲線如圖7(b)所示。同樣可以發(fā)現(xiàn)，在一定的撞擊速度范圍內(nèi)，準靜態(tài)壓力的峰值和超壓持續(xù)時間隨撞擊速度的升高而增大。這主要是因為，撞擊速度的升高導致材料內(nèi)部沖擊壓力升高，使其沖擊溫度隨之升高，從而直接提升了化學反應(yīng)效率[22]。

圖 7 典型的壓力曲線Fig.7 Typical pressure curves

表 1 準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of double impact initiation

2.2.2 冷軋道次對比化學能的影響

Al 和Ni 之間的反應(yīng)十分復雜，在不同的溫度和沖擊條件下可以產(chǎn)生不同的反應(yīng)產(chǎn)物[2-3]，并有可能發(fā)生氧化反應(yīng)。本文中，定義參數(shù)er以對相同配比、不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料的沖擊反應(yīng)釋能能力進行量化與比較。er為比化學能，即單位質(zhì)量的材料沖擊反應(yīng)釋放出的化學能。

根據(jù)Ames[18]的理論分析，可以得到材料在準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗中釋放的總能量ΔQ：

式中：VE為密閉反應(yīng)容器的容積，γa為容器內(nèi)空氣的比熱比，設(shè)γa=1.4。假設(shè)破片穿過鐵皮后全部進入密閉反應(yīng)容器，且ΔQ 只包含沖擊釋放的化學能Er及射入密閉反應(yīng)容器中破片殘余動能的貢獻Ek，則比化學能可表示為：

假設(shè)破片垂直撞擊前置鐵皮，并攜帶與碰撞面積相同的鐵皮(mt)射入密閉反應(yīng)容器。破片穿透鐵皮的剩余速度vr可用經(jīng)典的THOR 方程計算[23-24]：

式中：h 為靶板厚度；A 和m 分別為破片碰撞面積和破片質(zhì)量；c1～c4為由靶板材料定義的常數(shù)，本文中取c1=6.399，c2=0.889，c3=-0.945，c4=0.019。由此，可計算破片殘余動能

圖8 為冷軋3～5 道次Al/Ni 多層復合材料在不同撞擊速度下的比化學能。由于er去除了動能及質(zhì)量等影響因素，可以直接反映材料的沖擊釋能能力。從實驗結(jié)果可以看出，速度為850 m/s 左右時，3 種Al/Ni 多層復合材料的比化學能比較接近，均趨近于零。隨著撞擊速度升高，相同撞擊速度下的冷軋3 道次Al/Ni 多層復合材料產(chǎn)生的比化學能最高。當撞擊速度達到1 406 m/s 左右時，冷軋3 道次Al/Ni 多層復合材料的比化學能曲線逐漸趨近于平緩，而冷軋4 道次的Al/Ni 多層復合材料的比化學能曲線在撞擊速度達到1 371 m/s 后仍呈上升的趨勢。此外，相對于其他兩種材料，冷軋5 道次的Al/Ni 多層復合材料的比化學能曲線較為平緩，沖擊釋放的化學能最少，在撞擊速度為1 419 m/s 時已基本上釋放出最大比化學能(0.56 kJ/g)。

2.2.3 冷軋道次對準靜態(tài)壓力曲線上升速率的影響

基于Ames[18]對準靜態(tài)壓力曲線的分析，假設(shè)圖7 中Δp 從0 增大至Δpm的過程與時間呈近似線性關(guān)系。為了評估Al/Ni 多層復合材料沖擊反應(yīng)過程中的反應(yīng)速率，對準靜態(tài)壓力曲線上升的速率Δpm/tm進行了計算，如圖9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在800～1 400 m/s 的范圍內(nèi)，Δpm/tm隨撞擊速度的增大呈上升趨勢。在850～950 m/s 速度下，3 種Al/Ni 多層復合材料的反應(yīng)速率相近。隨著撞擊速度的進一步上升，Al/Ni 多層復合材料的反應(yīng)速率開始隨冷軋次數(shù)的不同發(fā)生變化，冷軋3 道次材料的反應(yīng)速率最快，而冷軋5 道次材料的反應(yīng)速率則最慢。

2.2.4 冷軋道次對沖擊釋能特性影響的機理分析

由于不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料具有相同的初始配比，導致其相同速度下沖擊反應(yīng)行為存在區(qū)別的主要原因在于其細觀結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)合文獻[12-13]，對本文實驗測得的基于冷軋成型Al/Ni多層復合材料沖擊釋能特性進行如下分析。

(1) 由于Al、Ni 間的材料阻抗不匹配，在沖擊壓縮過程中將引起沖擊波在Al、Ni 界面間反射而導致材料應(yīng)變的增加，從而提高了沖擊溫度。對于Al/Ni 多層復合材料，細觀尺度上材料層厚度越薄，材料系統(tǒng)內(nèi)部越快達到平衡，因而由沖擊產(chǎn)生的應(yīng)變越小、溫升越低。從圖1 可以看出，冷軋道次越多，材料細觀層厚度越小，在相同撞擊條件下的內(nèi)部溫度越低。

(2) 隨著撞擊速度的升高，材料顆粒劇烈變形，界面間的金屬間化合物(見圖2)迅速破碎，從而使Al、Ni 兩相快速融合發(fā)生化學反應(yīng)，即金屬間化合物對化學反應(yīng)產(chǎn)生的阻礙作用減弱。因此，冷軋4 道次Al/Ni 多層復合材料釋放的比化學能在高速段(v＞1 300 m/s)逐漸接近于冷軋3 道次材料。

(3) 由圖2 可見，隨著冷軋道次的增加，Al、Ni 兩相界面間的金屬間化合物含量增加，阻礙了兩相之間的相互接觸與反應(yīng)。因此，在一定撞擊速度范圍內(nèi)，相同條件下冷軋3 道次Al/Ni 多層復合材料的沖擊釋放的化學能最多，而冷軋5 道次Al/Ni 多層復合材料最少。同時，由于冷軋5 道次Al/Ni 多層復合材料內(nèi)金屬間化合物含量過高(見圖2(d))，已對有效反應(yīng)物的含量造成足夠大的影響，導致該材料最大比化學能(0.56 kJ/g)遠小于其他兩種Al/Ni 多層復合材料。

圖 8 Al/Ni 多層復合材料的比化學能Fig.8 Specific chemical energy for Al/Ni multi-layered composites

圖 9 Al/Ni 多層復合材料的準靜態(tài)壓力曲線的上升速率Fig.9 Increase rate of quasi-static pressure for Al/Ni multi-layered composites

3 結(jié) 論

以制備的不同冷軋道次的Al/Ni 多層復合材料為研究對象，利用SEM、準靜態(tài)壓縮實驗及準密閉二次撞擊反應(yīng)實驗對其細觀結(jié)構(gòu)、力學性能和SICR 釋能特性進行了研究，得到如下結(jié)論。

（1）基于冷軋工藝制備了以Al 為基體、Ni 分散其中的Al/Ni 多層復合材料。冷軋道次對Al/Ni 多層復合材料細觀尺度的顆粒形狀、尺寸及界面間金屬化合物的含量均有一定的影響，其中冷軋4 道次材料細觀結(jié)構(gòu)的不均勻性尤為明顯。

（2）隨著軋制道次的增加，Al/Ni 多層復合材料的抗壓強度整體呈上升趨勢。其中，由于冷軋4 道次Al/Ni 多層復合材料的細觀結(jié)構(gòu)存在較大的不均勻性，導致其抗壓強度略低于冷軋3 道次材料。

（3）相同撞擊速度(800～1 500 m/s)下，隨著Al/Ni 多層復合材料冷軋道次的增加，釋放的比化學能及反應(yīng)速率均有所降低。其中，冷軋5 道次材料Al/Ni 多層復合材料受材料界面間金屬化合物的影響較大，在1 419 m/s 時已基本釋放最大的比化學能。