多功能含能结构材料冲击反应行为及细观模拟研究

1多功能含能结构材料冲击反应行为及细观模拟研究Aug.29,2012张先锋南京理工大学机械工程学院[e-mail]2主要内容„研究背景及意义„多功能含能结构材料冲击物态方程„多组分混合物冲击物态方程计算„多组分混合物冲击温度计算„多功能含能结构材料冲击诱发化学反应模型„基于冲击温升控制的冲击诱发化学模型„冲击反应释能效率实验„多功能含能结构材料冲击压缩细观模拟„颗粒金属材料细观模型生成方法„颗粒金属材料冲击压缩细观模拟„多功能含能结构材料冲击压缩细观模拟„下一步研究工作设想3研究背景及意义„反应颗粒金属混合物→ReactivePowderMetalMixtures(RPMMs)„通常由微米以及纳米尺寸的金属间颗粒混合物（如：Ni+Al），金属与金属氧化物（如Al+Fe2O3）以及金属与聚合物（如Al+PTFE）组成。„多功能含能结构材料→MultifunctionalEnergeticStructuralMaterials(MESMs)„在反应颗粒金属混合物的基础上，添加了用来提高材料强度的材料，如聚合物基体（如PTFE和EPOXY）以及强度较高的金属材料（如W）。„MESMs特性„释能特性„强度特性„其他特性4研究背景及意义„含能破片(反应式破片)5研究背景及意义„含能药形罩6研究背景及意义„释能原理：外界条件诱发材料发生化学反应„释能条件爆炸加载温度加载冲击加载7研究背景及意义„MESMs冲击加载条件下产生的现象„细观与宏观现象的联系„细观尺度颗粒塑性变形微射流现象颗粒间熔合孔隙压实颗粒破碎„宏观尺度材料温升材料释能8研究背景及意义„设计MESMs待研究的内容„材料种类„材料配比„材料颗粒尺寸„材料颗粒空间排布„材料孔隙率„冲击加载条件„材料制备„释能效率„研究方法„理论分析需要提供初始参数，定性分析„实验方法时间域，花费高„数值模拟方法空间域考虑MESMs的细观特性直接观测冲击压缩下细观尺度上的形态变化获得冲击压缩下细观尺度上温度、压力分布9„多组分混合物冲击物态方程计算„冲击波物理方程()()ccEEVVPP−=−γ()()()[]200020VVSVVVCVP−−−=psSUCU+=0„物态方程在物理学和热力学中，状态方程（英语：Equationofstate），也称物态方程，表达了热力学系统中若干个态函数参量之间的关系。()pssUUU−=ρρ0psUUPP00ρ=−()()VVPPEE−+=−00021()()()()()()VVVVVEVPVVVPcc−−−=021γγ10„多组分混合物冲击物态方程计算„密实态多组分混合物状态方程()()[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧+−−−=−111exp133/13/10KqqqQEcδδρδ()21218620−−+=qqqλ()0K2032ρ−=qQCBorn-Meyer势()()∑==NiiiPVmPV1()()∑==NiiCiCVEmVE111=∑=NiimdVdEPcc/−=()δδδδδδγ21exp61exp613131312−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⋅−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⋅=−−−qqqq11„多组分混合物的冲击物态方程计算„疏松多组分混合物冲击物态方程计算()()'''0000''002121CCHCHCCHCHEPVVVPEVVEPVVVPEVV−−++−=−−++−()CCHHHPRVV−=−()''''CCHHHPRVV−=−12„多组分混合物的冲击物态方程计算1.01.21.41.61.82.02.83.03.23.43.63.84.04.2MethodofMcQueenPresentMethodγ/V(10-5Kg/m3)Compressibilityδ(V0K/V)0.50.60.70.80.91.002004006008001000MethodofMcQueenPresentMethodExperimentaldataPressure(GPa)RelativeVolume(VH/V00)0.40.50.60.70.80.91.0050100150200250(a)12345Pressure(GPa)RelativeVolume(V'/V)61-100%T.D.Cal.Exp.2-88.5%T.D.Cal.Exp.3-81.8%T.D.Cal.Exp.4-70.6%T.D.Cal.Exp.5-63.9%T.D.Cal.Exp.6-50.4%T.D.Cal.Exp.0123452468101-100%T.D.Cal.Exp.2-88.5%T.D.Cal.Exp.3-81.8%T.D.Cal.Exp.4-70.6%T.D.Cal.Exp.5-63.9%T.D.Cal.Exp.6-50.4%T.D.Cal.Exp.65432ShockVelocity(km/s)ParticleVelocity(km/s)1(b)13„多组分混合物的冲击物态方程计算0.600.650.700.750.800.850.900.951.0003060901201501802102402704321Pressure(GPa)RelativeVolume(VH'/V00)1-W/Cu(76/24)Cal.Exp.2-W/Cu(68/32)Cal.Exp.3-W/Cu(55/45)Cal.Exp.4-W/Cu(25/75)Cal.Exp.(a)0.00.51.01.52.02.53.01234567821-W/Cu(76/24)Cal.Exp.2-W/Cu(68/32)Cal.Exp.3-W/Cu(55/45)Cal.Exp.4-W/Cu(25/75)Cal.Exp.43ShockVelocity(km/s)ParticleVelocity(km/s)1(b)0.00.20.40.60.81.01.2123456P(GPa)Up(km/s)45%T.D.Al+NiCal.Exp.(noreaction)[37]Exp.(reaction)[37](a)0.20.40.60.81.01.20.81.21.62.02.4Us(km/s)Up(km/s)45%T.D.Al+NiCal.Exp.(noreaction)[37]Exp.(reaction)[37](b)14()2210PVVdVdPVTCdVdTCHvHv+−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=+⎟⎠⎞⎜⎝⎛γ()⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=+−dPdVPVVCPRRTdPdTP002113„多组分混合物冲击温度计算„从等压路径和等容路径计算了材料的冲击温度，结果显示等压法能更好的计算疏松材料的冲击温升05010015020025030003000600090001200015000SolidIronCal.(ConstantVolume)Cal.(ConstantPressure)Exp.(FromMcQueen[38])Temperture(K)Pressure(GPa)(a)PorousIronCal.(ConstantVolume)Cal.(ConstantPressure)Exp.(FromZhang[41])0501001502002503000600012000180002400030000Temperture(K)Pressure(GPa)100%T.D.Cal.80%T.D.Cal.60%T.D.Cal.40%T.D.Cal.(b)15„基于冲击温升控制的冲击诱发化学模型)(yfkdtdy=„结合Arrhenius反应速率模型和Avrami-Erofeev反应动力学模型对MESMs的冲击释能效率进行了计算根据Avrami/Arrhenius模型的激活状态理论，反应速率可以表示为：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=TREAkaaexp由Avrami-Erofeev提出的n维核/增长控制反应模型可得：()()()[]()nnyynyf/11ln1−−−−=()()()[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−+−−=yynnynyETRdydTaa1ln111ln21216„基于冲击温升控制的冲击诱发化学模型()vvHvCHyCPVVdVdPCVTdVdTΔ−+−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=+⎟⎠⎞⎜⎝⎛2210γ„MESMs冲击反应后的温升来源于冲击产生的热量和化学反应产生的热量，温升可由下式求得：()()yQVVPPEE+−+=−000002/1()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+−=γγVVVVVVPyQPH000210.2()()()()PyVPVyPVpr+−=1()prVyVyV⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=00001γγγ17„基于冲击温升控制的冲击诱发化学模型036912150200040006000800010000NoReactionCompleteReactionbyBoslough[8]PartialReactioninPresentWorkTemperatureT(K)HugoniotPressureP(GPa)Al/Fe2O3(25.3/74.7)(a)02468100100020003000400050006000NoReactionCompleteReactionPartialReactioninPresentWorkTemperatureT(K)HugoniotPressureP(GPa)Al/Ni(23.9/76.1)02468100.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5Shockvelocity(km/s)InputStress(GPa)WithoutreactionPartialreactioninthepresentworkCompletereactionwithBosloughExperimentresults[24][25](a)02468100.00.40.81.21.62.02.42.83.2(b)Shockvelocity(km/s)InputStress(GPa)WithoutreactionPartialreactioninthepresentworkCompletereactionwithBosloughExperimentresultswithreaction[26]Experimentresultswithoutreaction[26]18„冲击反应释能效率实验„利用二次撞击实验模拟MESMs冲击诱发化学反应释能过程，定量的描绘MESMs释能效率19„利用高速摄影来观测释能喷射过程，瞬态压力测试系统获取MESMs释能效率EVPΔ−=Δ1γ„冲击反应释能效率实验20„冲击反应释能效率实验0204060801001200.00.10.20.30.40.5Quasi-staticPressurev1=752.3m/sv2=1093.7m/sv3=1334.8m/sP/MPat/ms0204060801001200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0P/MPat/msTotalPressurev1=752.3m/sv2=1093.7m/sv3=1334.8m/s21„多功能含能结构材料冲击压缩细观研究方法„细观研究方法及其与宏观行为的联系22„颗粒金属材料细观模型生成方法DanielEdwardEakins,ROLEOFHETEROGENEITYINTHECHEMICALANDMECHANICALSHOCK-RESPONSEOFNICKELANDALUMINUMPOWDERMIXTURES,PhdThesis,200723„颗粒金属材料细观模型生成方法DJBenson.ModellingSimulMaterSciEng1994;2:535–55024„颗粒金属材料细观模型生成方法„金属材料颗粒细观分布特性„颗粒形状、尺寸由材料种类决定„颗粒尺寸满足对数正态分布规律„所有颗粒与其相邻最近颗粒的距离满足对数正态分布规律(a)Al颗粒在扫描电镜下的形态(b)Al颗粒在透射电镜下的形态Ref.GranqvistC.GJ.