本發(fā)明屬于金屬活性材料，具體說(shuō)是涉及一種鈮鈦鋯系多主元活性材料及其制備方法、活性破片及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、活性材料是一種既具有類金屬材料強(qiáng)度特性，又具有類炸藥材料反應(yīng)特性的新質(zhì)毀傷含能材料。該材料在通常環(huán)境中呈現(xiàn)出鈍感特性，而在沖擊載荷及爆轟驅(qū)動(dòng)作用下，該材料會(huì)被激活，并在侵徹目標(biāo)過(guò)程中發(fā)生燃燒、爆燃、爆炸等反應(yīng)，釋放大量能量。因此，相較于惰性金屬材料，活性材料在高速碰撞條件下，不僅可以對(duì)目標(biāo)造成動(dòng)能侵徹毀傷，還能釋放能量增強(qiáng)毀傷效能，并對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生引燃、引爆、內(nèi)爆等效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能-化學(xué)能耦合毀傷，為大幅提高彈藥戰(zhàn)斗部毀傷威力提供了全新的技術(shù)途徑?；诨钚圆牧系纳鲜鎏攸c(diǎn)及未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)高效毀傷技術(shù)的需求，該材料已經(jīng)成為戰(zhàn)斗部毀傷元領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，作為破片、藥型罩和侵徹芯體等材料使用具有良好的應(yīng)用前景。

2、目前，活性材料主要可以分類為金屬/金屬氫化物/聚合物復(fù)合材料、鋁熱劑、金屬間化合物等。關(guān)于活性材料的研究及應(yīng)用主要集中于聚四氟乙烯/鋁/金屬及金屬氧化物添加物，鎳/鋁/金屬添加物等方向。應(yīng)用于破片毀傷元，聚四氟乙烯/鋁/金屬及金屬氧化物添加物密度小，強(qiáng)度低，對(duì)目標(biāo)侵徹能力不足，抗爆轟驅(qū)動(dòng)能力弱；鎳/鋁/金屬添加物塑性差，能量釋放率低，反應(yīng)閾值高，對(duì)目標(biāo)毀傷威力不足。因此，基于對(duì)高密度、高強(qiáng)度、高釋能毀傷元的實(shí)際需求，多主元金屬活性材料逐漸引起了研究者的關(guān)注。

3、多主元金屬活性材料通常由多種金屬元素按一定原子比例混合而成，相較于聚四氟乙烯/鋁/金屬及金屬氧化物添加物（或金屬/金屬氫化物/聚合物復(fù)合材料），該類材料具有較大的密度和較高的強(qiáng)度，且受沖擊載荷作用能發(fā)生釋能反應(yīng)。現(xiàn)有的研究主要集中于鈷鉻鎳（鐵）系多主元金屬活性材料的研究，該體系含能量低、對(duì)目標(biāo)毀傷效能低；為了使各主元充分混合均勻形成固溶體，該類材料通常采用放電等離子燒結(jié)、超高溫?zé)Y(jié)或真空熔煉方法制備，使材料的各組分充分熔合形成單相或多相固溶體結(jié)構(gòu)。其中，采用放電等離子燒結(jié)或超高溫?zé)Y(jié)制備的多主元金屬活性材料，通常各金屬組分分布不均勻，預(yù)期相結(jié)構(gòu)形成能力差；真空熔煉方法則需要進(jìn)行7次以上重復(fù)熔煉以保證形成預(yù)期相結(jié)構(gòu)，在含有高熔點(diǎn)金屬的場(chǎng)合可能需要重復(fù)熔煉10次以上，導(dǎo)致成本增加；同時(shí)多主元金屬活性材料金屬元素組成熔點(diǎn)差異大，多次熔煉會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)金屬揮發(fā)，導(dǎo)致材料產(chǎn)品的成分變化，進(jìn)一步影響材料性能。并且傳統(tǒng)多主元金屬活性材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)的反應(yīng)活性較弱，反應(yīng)所需的閾值速度高（通常超過(guò)1000m/s），反應(yīng)釋能量低，這嚴(yán)重阻礙了其作為破片毀傷元的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鈮鈦鋯系多主元活性材料及其制備方法、活性破片及其制備方法，使得多主元金屬活性材料具有高密度、高強(qiáng)度、反應(yīng)閾值低、反應(yīng)釋能量高等性能優(yōu)勢(shì)，所制備的活性破片具有良好的侵徹能力與抗爆轟驅(qū)動(dòng)能力，具有良好的爆裂毀傷能力。

2、本發(fā)明提供了一種鈮鈦鋯系多主元活性材料，所述活性材料原料包括基體材料粉末和高密度硬質(zhì)材料粉末；

3、以質(zhì)量計(jì)，所述基體材料粉末/所述高密度硬質(zhì)材料粉末=1.2~9；

4、所述基體材料粉末包括鈮粉末、鈦粉末、鋯粉末的混合，粒徑為80~150μm；

5、所述高密度硬質(zhì)材料粉末為鎢粉末、鉭粉末、碳化鎢粉末、碳化鉭粉末、氮化鎢粉末、氮化鉭粉末、硼化二鎢粉末、硼化鉭粉末中的任意一種，粒徑為13~58μm。

6、進(jìn)一步的，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述基體材料粉末還包括0~20%的鋁粉末、0~10%的鎂粉末、0~20%的釩粉末；

7、以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，所述基體材料粉末中，鈮粉末、鈦粉末、鋯粉末含量分別為24~40%、12~20%、24~40%；鈮粉末、鈦粉末、鋯粉末質(zhì)量百分比為2：1：2。

8、進(jìn)一步的，以質(zhì)量計(jì)，基體材料粉末中，鋁與鈮、鈦、鋯三者之和的比值為0~0.286；

9、以質(zhì)量計(jì)，基體材料粉末中，鎂與鈮、鈦、鋯三者之和的比值為0~0.135；

10、以質(zhì)量計(jì)，基體材料粉末中，釩與鈮、鈦、鋯之和的比值為0~0.375。

11、本發(fā)明提供了一種鈮鈦鋯系多主元活性材料的制備方法，具體包括如下步驟：

12、步驟s1：取所需種類基體材料粉末，按比例混合后加入惰性氣氛研磨罐中研磨；研磨后過(guò)100~180目篩，獲得粒徑80~150μm的基體材料粉末；

13、取所需種類高密度硬質(zhì)材料粉末，過(guò)250~1000目篩，獲得粒徑13~58μm的高密度硬質(zhì)材料粉末；

14、步驟s2：將步驟s1獲得的基體材料粉末與高密度硬質(zhì)材料粉末按比例充分混合均勻，獲得混合粉末；

15、以質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料粉末/硬質(zhì)材料粉末=1.2~9；

16、步驟s3：取步驟s2中所得的混合粉末，置于超聲振動(dòng)模具中進(jìn)行沖壓處理，得到活性材料胚體；

17、步驟s4：將步驟s3所得的活性材料胚體置于惰性氣氛保護(hù)的燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，在室溫條件下升溫至燒結(jié)溫度，保持燒結(jié)時(shí)長(zhǎng)后停止加熱，隨爐冷卻至室溫，得到燒結(jié)后的活性材料胚體；

18、步驟s5：將燒結(jié)后的活性材料胚體，利用無(wú)水乙醇對(duì)活性材料胚體進(jìn)行超聲清洗并干燥，裝爐抽真空，在真空熔煉爐中進(jìn)行熔煉，通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，待活性材料胚體熔清后隨爐冷卻降溫，重復(fù)熔煉2~7次，最后一次將材料澆鑄在坩堝中冷卻成形，得到活性材料。

19、進(jìn)一步的，所述步驟s1中，研磨罐球磨速度為200~350rpm，球磨時(shí)間為12~144h；球磨溫度不高于25℃；基體材料粉末與研磨球的質(zhì)量比為（5~15）：1。

20、進(jìn)一步的，所述步驟s3中，超聲振動(dòng)模具上下模沖施加的超聲頻率為20~30khz，施加的壓力為100~350mpa，保壓時(shí)間2~5min。

21、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)溫度為1200~1950℃，升溫速率為5~15℃/min，保持燒結(jié)溫度時(shí)長(zhǎng)2~6h。

22、進(jìn)一步的，所述步驟s5中，真空熔煉爐功率調(diào)節(jié)為100kw~200kw，熔煉時(shí)間為10~20min。

23、本發(fā)明提供了一種活性破片的制備方法，包括以下步驟：

24、sp1：將活性材料進(jìn)行電脈沖處理，脈沖電流密度為80~200a/mm2，脈沖持續(xù)時(shí)間為100~600ms，得到電脈沖處理后的活性材料；

25、sp2：將電脈沖處理后的活性材料進(jìn)行機(jī)械加工，得到預(yù)設(shè)形狀、尺寸的活性破片胚體；

26、sp3：將活性破片胚體的外表面進(jìn)行激光熔覆處理，激光熔覆的厚度為0.05-0.10mm，得到活性破片；

27、所述活性材料為上述活性材料或由上述活性材料制備方法制備得到的活性材料。

28、本發(fā)明提供了一種活性破片，由上述活性破片的制備方法制備得到。

29、本發(fā)明的有益效果在于：

30、（1）本發(fā)明獲得的活性材料較傳統(tǒng)活性材料，其密度與強(qiáng)度更高，抗壓強(qiáng)度不低于1200mpa；

31、（2）本發(fā)明通過(guò)在鈮鈦鋯系基體中加入高密度硬質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)提高材料力學(xué)性能與反應(yīng)性能的雙重目的。一方面，高密度硬質(zhì)材料顆粒在基體材料中起到第二相顆粒強(qiáng)化作用與彌散強(qiáng)化作用，可以提高材料的密度和強(qiáng)度；另一方面，在沖擊載荷作用下，高密度硬質(zhì)材料較基體材料強(qiáng)度、硬度更高，材料變形過(guò)程中缺陷更容易在硬質(zhì)顆粒位置堆積，從而在該位置處產(chǎn)生高溫高應(yīng)力區(qū)域，形成誘發(fā)基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的熱點(diǎn)，提高材料的反應(yīng)活性，使其反應(yīng)速度閾值不高于700m/s；

32、（3）本發(fā)明通過(guò)合理調(diào)控硬質(zhì)材料粉末粒度和比例，使其形成的熱點(diǎn)區(qū)域足夠大、升溫速率足夠快，有利于材料化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，防止其顆粒尺寸過(guò)小，導(dǎo)致熱點(diǎn)區(qū)域能量不足以增強(qiáng)反應(yīng)，或顆粒尺寸過(guò)大，導(dǎo)致材料強(qiáng)度和塑性下降，進(jìn)一步導(dǎo)致抗爆轟驅(qū)動(dòng)能力下降；

33、（4）本發(fā)明通過(guò)合理的超聲壓制-真空燒結(jié)-真空熔煉工藝技術(shù)路線，使材料在制備過(guò)程中，基體組分充分混合均勻，第二相顆粒均勻分布在基體間，且基體與第二相顆粒界面位置無(wú)明顯裂紋，使材料獲得良好的強(qiáng)度與反應(yīng)閾值的匹配關(guān)系；

34、（5）本發(fā)明制備活性破片，活性材料在電脈沖處理、機(jī)械加工之后，在其外側(cè)進(jìn)行高密度硬質(zhì)第二相顆粒的激光熔覆，使得高密度硬質(zhì)第二相顆粒在試樣中形成梯度分布，進(jìn)一步提高試樣的強(qiáng)度和抗爆轟驅(qū)動(dòng)能力；

35、（6）本發(fā)明制備的活性破片，可以在沖擊載荷下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放大量能量，具有良好的侵徹能力、抗爆轟驅(qū)動(dòng)能力以及爆裂毀傷能力。當(dāng)碰撞速度不低于1200m/s時(shí)，其對(duì)4mm鋼靶后1.5mm鋁靶的后效毀傷面積不低于10倍破片截面積785mm2，在27l密閉壓力容器內(nèi)產(chǎn)生的超壓峰值不低于0.1mpa。