一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法與流程
2023-05-01 00:55:06
本發明涉及含能材料製備技術領域，具體涉及一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法。
背景技術：
含能材料通常是指由兩種或多種非炸藥類固體物質所組成的亞穩態材料，其在強機械衝擊力的作用下才可產生放熱化學反應並釋放出巨大熱量，而鋁鎳材料便是一種典型的含能材料，廣泛用於含能材料藥型罩的製備之中。鋁鎳含能材料以其在軍事上的巨大應用前景而得到了廣泛關注，利用鋁鎳含能材料製備的新概念高效毀傷戰鬥部，其在對目標毀傷過程中，不僅有足夠的動能擊穿目標還能釋放衝出化學反應所產生的巨大能量，從而對目標造成更大的毀傷效果。然而要實現鋁鎳含能戰鬥部在應用技術上的突破，就必須解決其反應釋能效率、材料抗壓強度和塑性等關鍵問題。
Journal of Alloys and Compounds中刊登了文獻Influence of additives on microstructures mechanical properties and shock-induced reaction characteristics of Al/Ni composites，該文獻利用粉末壓制的方法製備了鋁鎳含能材料，實驗結果發現粉末壓製法可以顯著提高材料的抗壓強度，但是通過材料的準靜態曲線發現材料的塑性很差且材料的反應釋能效率較一般，其中，圖3為粉末壓製法製備的Al/Ni、Al/Ni/PTFE以及Al/Ni/Cu含能複合材料的準靜態曲線；其中，Al/Ni的體積比為50:50、Al/Ni/PTFE的體積比為45:45:10、Al/Ni/Cu的體積比為45:45:10。專利CN 103056162 A公開了一種鋁鎳複合帶的結合方法，該方法利用退火及軋制工藝有效的解決了鋁鎳材料的變形不一致問題，成功的製備出鋁鎳複合材料，但是由於其軋制道次僅為一次，該方法所製備材料的強度較低無法滿足戰鬥部對材料性能的要求。專利CN 104911549 A公開了一種用EBPVD製備Al/Ni反應疊層箔的方法，對於傳統的製備工藝而言，雖然該方法利用EBPVD工藝有效的解決了Al/Ni界面引入雜質、造成汙染問題，提高了含能材料的反應釋能效率但是由於該工藝生產效率較一般，生產成本高，不利於材料的大批量生產。
綜上所述，當前鋁鎳製備工藝或多或少的存在著一定的問題，目前亟待尋求一種方法簡單、設備便宜、成本低廉、可提高鋁鎳複合材料力學性能的生產方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，該製備方法利用累積疊軋工藝製備出高強度的鋁鎳含能複合材料，本製備方法簡單，設備便宜，生產成本相對較低。同時，本製備方法在保證鋁鎳含能材料反應釋能效率的基礎上，成功的提高了鋁鎳含能材料的抗壓強度及塑性。
本發明的一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，是通過以下技術方案實現的，具體包括以下步驟：
(1)準備長和寬相等的高純鋁片、高純鎳片，按厚度比，高純鋁片：高純鎳片＝(1.2-1.8)：1；
(2)對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片進行退火處理，得到退火後的高純鎳片，對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鋁片和清理後的鎳片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)對多層鉚合板材進行軋制，得到軋制板材；
對軋制板材進行退火處理，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，將退火後的板材切成大小相同的兩部分；
打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；
將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行數次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
所述的步驟(1)中，所述的高純鋁片含有的化學成分及其質量百分比為：Al為99.0％-99.5％，Si為0.40％-0.5％，餘量為雜質；所述的高純鎳片含有的化學成分及其質量百分比為：Ni+Co≥99.90％、餘量為雜質。
所述的步驟(1)中，所述的高純鋁片的厚度為0.3-1.2mm，所述的高純鎳片的厚度為0.2-0.8mm。
所述的步驟(2)中，所述的退火，具體步驟為：在惰性氣體的保護下，高純鎳片在600-700℃退火1-2h。
所述的步驟(2)中，所述的在惰性氣體保護下目的是防止高純鎳片在高溫下氧化。
所述的步驟(2)中，所述的清理的具體步驟為：採用鋼絲刷或打磨紙進行清理。
所述的步驟(3)中，所述的堆疊，鋁片和鎳片堆疊的層數共15-23層。
所述的步驟(4)中，所述的軋制的工藝步驟為：採用導衛裝置將多層鉚合板送進二輥軋機中，在15-25℃進行軋制，軋制壓下率為35-55％；其中，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1-0.2mm。
所述的步驟(4)中，所述的導位裝置具體包括底板、擋板和蓋板，其中，擋板為一側帶有坡度另一側為直角的金屬板，底板為一矩形的板材，底板的上方設置有數對擋板，擋板與底板垂直，每對擋板上方設置有蓋板，底板、每對擋板、蓋板形成一個閉合結構為導位；
所述的數對擋板至少為一對，當為兩對以上時，每個擋板之間相鄰；
其中，所述的坡度的夾角為20-60°，底板和擋板的連接方式為焊接，擋板和蓋板的連接方式為焊接，所述的每對擋板之間的距離比軋制板材的寬度寬0.1-0.2mm。
所述的導衛裝置為可以保證板材在送進時不會發生竄動，在導衛裝置的限制作用下，避免軋制板材出現錯位的現象。
所述的步驟(4)中，所述的退火處理的具體步驟為：軋制板材在450-600℃退火，退火時間為0.5-1.5h。
所述的步驟(4)中，所述的退火處理採用的設備為箱式電阻爐。
所述的步驟(6)中，所述的多次為：累積疊軋總道次數在3-7次。
本發明的一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，通過軋制工藝來提高鋁鎳複合材料的力學性能，鋁鎳材料在低於再結晶溫度條件下經歷多道次軋制，由於多道次累積塑性應變效應，鋁鎳材料晶粒發生細化，晶粒尺寸抗壓達到微米甚至納米尺寸，從而顯著提升材料的抗壓強度。但是鋁鎳材料在軋制時會發生加工硬化，之後利用退火工藝來消除板材的加工硬化，從而提高鋁鎳材料的塑性，從而製備出高強度、塑性較好的鋁鎳含能材料。
本發明的一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，相對於傳統鋁鎳含能材料的製備工藝而言，本發明具有方法簡單，設備便宜，生產成本低的優點。同時，在保證鋁鎳含能材料反應釋能效率的基礎上，本發明不僅解決了鋁鎳含能材料的抗壓強度低的問題，還提高了鋁鎳類含能材料的塑性，為鋁鎳類含能材料的進一步應用奠定堅實的基礎。
附圖說明
圖1為本發明的一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法的累積疊軋工藝流程圖；
圖2為軋制送進時所用的導衛裝置的示意圖；
圖3為採用傳統製備工藝製備的鋁鎳含能材料的準靜態壓縮曲線；
圖4為採用本發明實施例3累積疊軋工藝製備的鋁鎳含能材料的準靜態壓縮曲線；
圖5為本發明實施例3製備的鋁鎳含能材料的釋能特性曲線。
具體實施方式
結合本發明內容進一步描述，並提供實施例進一步說明：
實施例1
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，其工藝流程圖見圖1，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.50％，尺寸規格為400×30×0.8毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.9％，尺寸規格為400×30×0.5毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫1h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片，用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至17層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為20℃，軋制壓下率為50％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
其中，導衛裝置的示意圖見圖2，導衛裝置包括底板1、擋板2和蓋板3，其中，擋板2為一側帶有坡度另一側為直角的金屬板。底板1為一矩形的板材，底板1的上方設置有一對擋板，擋板與底板垂直，其中，一對擋板上設置有蓋板3，底板、一對擋板、蓋板形成一個閉合結構為導位；
其中，所述的坡度的夾角為45°，底板1和擋板2的連接方式為焊接，擋板2和蓋板3的連接方式為焊接，所述的一對擋板之間的距離比軋制板材的寬度寬0.1-0.2mm。
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為550℃，退火時間為1h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行3次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
對本實施例製得的高強度鋁鎳含能複合板材進行測試分析，累積疊軋工藝製備的鋁鎳含能材料的準靜態壓縮曲線見圖4，其中，圖中的1-5表示軋制道次，從圖中可以看出：隨著軋制道次的增加，鋁鎳含能複合板材的抗壓強度從第一道次的218MPa提高至第五道次的306MPa。同時，隨著軋制道次的增加，累積疊軋鋁鎳複合材料的應變也不斷提高。
對鋁鎳含能材料的衝擊釋能特性進行了檢測，圖5為鋁鎳含能材料的釋能特性曲線見圖5。圖5中給出了軋制3次、軋制4次、軋制5次以及採用粉末壓制的方法製備的鋁鎳含能材料的釋能特性曲線，由圖可知，在低衝擊速率條件下時，粉末壓制複合材料的釋能特性要明顯高於累積疊軋鋁鎳複合板材的釋能特性。但隨著衝擊速率的不斷提升，累積疊軋複合板材的釋能特性不斷提高，最終超過粉末壓制鋁鎳複合材料的釋能特性。
實施例2
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.90％，尺寸規格為400×30×0.3毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.90％，尺寸規格為400×30×0.2毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫1h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片，用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至21層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為20℃，軋制壓下率為50％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為550℃，退火時間為1h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行3次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
實施例3
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.90％，尺寸規格為400×30×1.2毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.90％，尺寸規格為400×30×0.8毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫1h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片；用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至15層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為25℃，軋制壓下率為45％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為450℃，退火時間為1h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行5次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
實施例4
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.90％，尺寸規格為400×30×0.8毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.90％，尺寸規格為400×30×0.5毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫2h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片；用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至23層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為25℃，軋制壓下率為50％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為600℃，退火時間為0.5h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行7次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
實施例5
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.90％，尺寸規格為400×30×0.8毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.90％，尺寸規格為400×30×0.5毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫2h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片；用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至17層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為15℃，軋制壓下率為35％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為550℃，退火時間為0.5h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行5次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。
實施例6
一種高強度鋁鎳含能複合板材的製備方法，具體包括以下步驟：
(1)選取純度為99.90％，尺寸規格為400×30×0.8毫米的高純鋁片和純度Ni+Co為99.90％，尺寸規格為400×30×0.5毫米的高純鎳片為實驗材料；
(2)用鋼絲刷對高純鋁片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鋁片；
將高純鎳片在惰性氣體的保護下放入電阻爐內隨爐加熱至680℃並在此溫度下保溫2h，進行退火處理，得到退火後的高純鎳片；用鋼絲刷對退火後的高純鎳片表面兩側的氧化層進行清理，得到清理後的鎳片；
(3)將清理後的鎳片和清理後的鋁片，按照鋁片、鎳片交替排列進行堆疊至15層，並保證堆疊的起始層和最終層均為鋁片，利用鑽床對堆疊的板材進行鉚合固定，得到多層鉚合板材；
(4)採用導衛裝置，將多層鉚合板材送進二輥軋機中進行軋制，軋制溫度為25℃，軋制壓下率為55％，得到軋制板材；其中，導衛裝置放置於二輥軋機的軋輥前，保證多層鉚合板材可以沿著軋輥的垂直方向送進，導衛裝置寬度比多層鉚合板材的寬度大0.1mm；
將軋制板材在箱式電阻爐中進行退火處理，退火溫度為450℃，退火時間為1.5h，得到退火態的軋制板材；
(5)對退火態的軋制板材進行切削，切除退火後板材兩側的邊裂後，利用線切割裝置將板材切割開，得到大小相同的兩部分；打磨掉兩部分板材要堆疊貼合的表面的氧化層直至兩表面漏出純鋁金屬；將兩部分板材堆疊，並對板材進行鉚合固定，得到雙層軋制板材；
(6)對雙層軋制板材重複步驟(4)和步驟(5)進行5次疊軋，製得高強度鋁鎳含能複合板材。