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        機械球磨法制備納米晶Zr粉及其燃燒性能

        2016-05-11 09:12:26康曉麗羅江山唐永建
        含能材料 2016年1期
        關(guān)鍵詞:球磨光輻射磨時間

        楊 帆, 康曉麗,, 羅江山,, 易 勇, 唐永建,

        (1. 中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室, 四川 綿陽 621999; 2. 西南科技大學(xué)-中國工程物理研究院激光聚變研究中心極端條件物質(zhì)特性聯(lián)合實驗室, 四川 綿陽 621010)

        1 引 言

        金屬Zr粉密度大,能量高,具有良好的點火性能和燃燒性能,廣泛應(yīng)用于煙火劑、推進劑等含能材料[1]。根據(jù)煙火化學(xué)理論,將金屬粉末細化到亞微米級甚至納米級,其比表面積將顯著增大,表面活性原子及基團顯著增加,更有利于燃燒能量的釋放和燃燒速率的提高[2-4]。所以,隨著對煙火劑、推進劑等含能材料要求的不斷提高,金屬Zr粉的超細化、納米化已引起國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn),Zr粉應(yīng)用在固體推進劑中時,隨著Zr粉粒徑的減小,藥劑的點火延遲時間縮短,小粒徑的Zr粉燃燒性能明顯優(yōu)于大粒徑的Zr粉。并且,將Zr粉細化到納米量級后,其氧化速率及放熱反應(yīng)速率顯著提高[5-6]。金屬粉末的納米化包括兩種:一是粉體顆粒的尺寸在納米量級(<100 nm),二是粉體顆粒的尺寸不是納米量級,但其內(nèi)部晶粒尺寸達到納米量級,稱為納米晶材料。納米晶材料的晶界數(shù)量大幅度增加,比晶界面積也隨之增加,因而能顯現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所不具有的物理化學(xué)性質(zhì)[7]。納米晶金屬粉如Mg-Al合金粉[8]、Ni-Al粉[9]已經(jīng)被嘗試用于鋁熱劑等含能體系中,并表現(xiàn)出良好的反應(yīng)活性。但是關(guān)于納米晶Zr粉在煙火劑中的應(yīng)用尚無文獻報道。

        制備納米晶金屬粉體的方法有液相法、氣相法、機械球磨法[10],其中,機械球磨法操作簡單、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)[11]。目前已有許多關(guān)于機械球磨法制備納米晶結(jié)構(gòu)金屬粉體的報道。Shingu等[12]1997年報道了機械球磨法制備Al-Fe納米晶材料,發(fā)現(xiàn)球磨條件與原料粉末的性質(zhì)是決定球磨難易程度、粒度及均勻性的重要因素。Fecht、董遠達等人[13-14]的研究結(jié)果表明:具有bcc面心立方結(jié)構(gòu)(Fe,Cr,Nb,W)和hcp密排六方結(jié)構(gòu)(Zr,Co,Hf,Ru)的金屬較易利用機械球磨法獲得納米晶結(jié)構(gòu)。何航[15]、王開陽等人[16]利用機械球磨法制備了430L不銹鋼納米晶粉末及納米晶鈦粉,Revesz[17]等人利用同樣的方法制備了Fe,Co,Cr納米晶粉末并表現(xiàn)出良好的熱學(xué)性質(zhì)。

        本研究利用機械球磨法制備納米晶Zr粉,研究球磨對Zr粉的物相、形貌、粒徑及晶粒尺寸等的影響,并利用球磨后的Zr粉作可燃劑,研究Zr粉的球磨時間對Zr/KClO4煙火劑光輻射時間特性的影響,從而為含Zr煙火劑的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

        2 實驗部分

        原料:Zr粉,純度>99.5%,400目,北京有色金屬研究院; KClO4,分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。將原料Zr粉放入Nd-7型變速行星式球磨機中球磨,加入120 mL無水乙醇作為液體保護介質(zhì)。球磨介質(zhì)為不銹鋼球,大小球質(zhì)量比為13(Φ=6 mm)∶2(Φ=3 mm),球料質(zhì)量比為12∶1,裝藥量為2 g/罐,球磨轉(zhuǎn)速為150 r·min-1,每經(jīng)過2 h球磨后停止1 h,以防止球磨過程中升溫過快。

        采用X射線衍射儀(XRD)對球磨前后Zr粉的物相變化進行表征,X射線為CuKα線(λ=0.154 nm),掃描范圍為2θ=20°~80°,利用Jade5.0對XRD數(shù)據(jù)進行處理,用W-H方法[18]計算球磨后Zr粉的晶粒尺寸及晶格應(yīng)變。采用掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDAX)對球磨Zr粉的表面形貌及元素成分進行觀測和分析。利用動態(tài)激光散射粒度分析儀對球磨Zr粉的平均粒徑及粒徑分布進行測量。

        將不同球磨時間的Zr粉分別與400目KClO4按40∶60(質(zhì)量比)充分混合研磨,真空干燥4 h。取100 mg混合均勻的粉末壓制成圓柱形藥柱,藥柱中心串有電阻絲,使用電加熱點火,借助光電管和示波器(TDS1012C型)測試了Zr/KClO4煙火劑的光輻射時間曲線。

        3 結(jié)果及討論

        3.1 XRD分析

        圖1分別為原料Zr粉(0 h)和球磨4,8,12,16,20 h后的Zr粉的X射線衍射圖譜。從圖1可以看出,球磨前后Zr粉的XRD峰位與六方晶系簡單六方晶格(hp-2)Zr的標準峰相匹配,球磨前Zr粉的衍射峰比較尖銳,說明原料晶粒尺寸較大。隨著球磨時間的延長,Zr的衍射峰發(fā)生了明顯的寬化,衍射峰強度降低,這與球磨后Zr粉晶粒尺寸減小及球磨過程中劇烈形變引起晶格應(yīng)變的增加有關(guān)。晶粒尺寸與晶格應(yīng)變的大小由Williamson hall的方法計算得到[19]:

        (1)

        式中,B是扣除儀器寬化的半高峰寬(FWHM),Bd和Bε分別是晶粒尺寸和晶格應(yīng)變引起的半高峰寬,K是一常數(shù)0.9,λ(nm)是X射線衍射波長,d(nm)和ε分別為晶粒尺寸和晶格應(yīng)變,θ(°)為布拉格衍射角。β0=β+βs,其中β0和βs分別為寬化后的布拉格衍射峰和標準樣品的衍射峰半高峰寬。將已知參數(shù)帶入式(1)進行曲線擬合,可得到表1中不同球磨時間Zr粉的平均晶粒尺寸和晶格應(yīng)變的大小。由表1可知,隨著球磨的進行,Zr粉的晶粒尺寸逐漸減小到納米尺度,同時,由于球磨過程中顆粒劇烈形變引起晶格缺陷的(點缺陷,位錯等等)增加,新的缺陷引起系統(tǒng)能量和晶格應(yīng)變增加,為了彌補這種效應(yīng),位錯將會移動形成一個新的取向,也就是所謂的亞晶界,此時晶粒破碎、晶粒不斷細化直至形成納米晶結(jié)構(gòu),系統(tǒng)能量降低[19-20]。當(dāng)球磨時間增加到16 h后,Zr粉的晶粒尺寸減小到16.1 nm,晶格應(yīng)變增至0.7343%。由于系統(tǒng)熱效應(yīng)累積將會引起晶?;貜?fù)、再結(jié)晶甚至長大,此時,Zr粉的晶粒尺寸變化逐漸趨于晶粒細化和晶粒長大兩個作用的動態(tài)平衡,繼續(xù)增加球磨時間(20 h),晶粒尺寸變化很小。

        圖1 不同球磨時間后的Zr粉XRD衍射圖譜

        Fig.1 XRD patterns of raw Zr and Zr milled for different time

        表1 不同球磨時間后Zr粉的平均晶粒尺寸和晶格應(yīng)變

        Table 1 Mean grain size and lattice strain change of raw Zr and Zr milled for different time

        millingtime/hgrainsize/nmlatticestrain/%0>100—4>1000.5579881.70.71231268.90.5111616.10.6152015.40.7343

        此外,由于磨球與磨罐材質(zhì)較硬,相互作用較大,從球磨后XRD圖譜(圖1)可以觀察到明顯的Fe-Cr-Ni雜質(zhì)峰。利用XRD衍射峰面積的比值分析雜質(zhì)含量,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,球磨時間越長,雜質(zhì)含量越高,球磨16 h后,雜質(zhì)含量已超過5%,球磨20 h時,雜質(zhì)含量急劇增加到10%以上。根據(jù)煙火劑的配方設(shè)計原則[21],煙火劑中摻入這些燃燒性能較差的雜質(zhì)后,將對藥劑的性能產(chǎn)生不利影響。所以,下文僅對球磨時間小于16 h的Zr粉進行研究。

        圖2 雜質(zhì)含量隨球磨時間的變化

        Fig.2 Impurity contents in the Zr powder vs milling time

        3.2 形貌與粒度分析

        圖3是原料Zr粉和球磨4,8,12h后Zr粉的掃描電鏡圖片。由圖3可知,原料Zr粉棱角分明,呈不規(guī)則多邊形,粒徑分布不均勻,8000倍放大下可觀察到大顆粒上附有少量小顆粒,Zr粉表面有許多層紋,表面較光滑。球磨4 h后,Zr顆粒形狀仍然不規(guī)則,但是棱角已經(jīng)明顯鈍化,顆粒有所細化,粒徑分布仍然不均勻。球磨8 h后,顆粒粒徑明顯減小,粒徑分布比較集中。球磨12 h后,Zr粉顆粒發(fā)生團聚,粉體粒徑有增大的趨勢,并且Zr顆粒表面已經(jīng)有部分氧化。

        a. raw Zrb. milled for 4 h

        c. milled for 8 hd. milled for 12 h

        圖3 不同球磨時間Zr粉SEM圖像

        Fig.3 SEM images of raw Zr and Zr milled for different time

        圖4是激光粒度分析儀測得的Zr粉顆粒平均粒徑隨球磨時間的變化曲線,隨著球磨時間的增加,Zr粉的平均粒徑先減小后增大。結(jié)合圖3的SEM結(jié)果,可將Zr粉的球磨過程分成兩個主要階段:第一階段是在球磨初期(4 h以內(nèi)),在球磨作用下,尖銳棱角的Zr顆粒因應(yīng)力集中,短時間內(nèi)形成大量微裂紋,并快速擴展發(fā)生破碎,顆粒粒徑隨球磨時間的增加而迅速減小; 第二階段是球磨到一定時間(4~8 h),顆粒粒徑減小到一定程度(約0.8 μm),顆粒的比表面積逐漸增大,表面失配的原子鍵態(tài)增多,細顆粒具有很強的團聚傾向,顆粒粒徑開始隨著球磨時間的增加而逐漸增大。圖5是激光粒度分析儀測得的不同球磨時間后Zr粉粒徑分布圖,在球磨初期,粒徑變化不大,且粒徑分布較寬,70%以上的顆粒粒徑大于1 μm; 球磨8 h后,粒徑分布曲線向左發(fā)生明顯的偏移,60%的顆粒粒徑小于1 μm,這一階段Zr粉粒徑迅速減小,粒徑均勻性得到明顯改善,表明球磨對控制材料的粒徑大小及分布均勻性是有效的。球磨12 h后,粒徑尺寸分布曲線又向右偏移,這是因為小顆粒開始團聚形成大顆粒,導(dǎo)致大顆粒數(shù)量增加。

        圖4 Zr粉的平均粒徑隨球磨時間的變化曲線

        Fig.4 Mean particle size of Zr powders changing with milling time

        圖5 不同球磨時間Zr粉粒徑分布曲線

        Fig.5 Particle size distributions of the Zr powder milled for different time

        3.3 Zr/KClO4光輻射時間特性

        利用光電二極管-示波器測量了原料Zr粉及分別球磨4,8,12 h的Zr粉與KClO4混合后所得煙火劑的光輻射時間特性,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,使用原料Zr粉時,樣品的光輻射時間為25 ms,Zr粉球磨4 h后,樣品的光輻射時間為20 ms,縮短了20%,同時,峰值輻射強度也有所增加; Zr粉球磨8~12 h后,煙火劑的光輻射時間進一步縮短,分別為17 ms和12 ms,相比使用原料Zr粉的樣品,分別縮短了32%和52%。煙火劑光輻射時間的縮短,意味著藥劑燃燒速率提高,上述結(jié)果表明,對原料Zr粉進行適當(dāng)?shù)那蚰ヌ幚?,能夠提高含Zr煙火劑的燃燒速率。結(jié)合前文的XRD和粒度分析結(jié)果,分析認為,煙火劑燃燒速率的增加可歸因于球磨引起的Zr粉粒徑減小和內(nèi)部晶粒細化兩方面的原因。球磨時間小于8 h時,Zr顆粒粒徑減小,比表面積增加(BET比表面積實驗測量值分別為:13.4,14.5,35.6 m2/g),與KClO4之間的接觸面積也增大,有利于燃燒反應(yīng)的迅速進行,這一趨勢與B. Berger報道的可燃物粒徑對煙火藥燃燒速度影響是一致的[22]; 球磨時間大于8 h時,雖然Zr顆粒平均粒徑增大,但是其內(nèi)部晶粒尺寸減小,晶界增多,有利于反應(yīng)物界面上的擴散傳質(zhì)過程[23],也有助于促進藥劑的燃燒反應(yīng)。但是,Zr粉球磨12 h后,Zr/KClO4的光輻射強度和光譜積分面積明顯降低,這與長時間球磨引起的Zr顆粒團聚以及雜質(zhì)含量增高、表面氧化加劇,進一步導(dǎo)致活性Zr質(zhì)量減少有關(guān)。所以,為了獲得綜合性能良好的煙火劑,Zr粉的球磨時間不宜太長,球磨8 h為最優(yōu)研磨時間。

        圖6 不同球磨時間的Zr/KClO4光輻射時間特性曲線

        Fig.6 The optical radiation time versus time profile for different Zr/KClO4

        4 結(jié) 論

        考察了機械球磨對Zr粉的物相、顯微結(jié)構(gòu)的影響以及含Zr煙火藥的光輻射時間特性,結(jié)果表明:

        (1) 球磨后Zr粉的物相結(jié)構(gòu)沒有變化,但是會引入Fe-Cr-Ni雜質(zhì),雜質(zhì)含量隨球磨時間的延長逐漸增加,球磨時間達到20 h時,雜質(zhì)含量超過10%。

        (2) 隨著球磨時間的增加,Zr粉的平均粒徑先減小后增大,晶粒尺寸逐漸減小到納米量級。球磨時間為8 h時,可制備出粒徑分布比較均勻、平均粒徑約0.8 μm、晶粒尺寸約80 nm的納米晶鋯粉。

        (3)控制球磨時間為8 h時,Zr/KClO4煙火劑的光輻射時間為17 ms,相比原料粒徑的煙火劑的光輻射時間縮短了32%,并且峰值輻射強度增大。

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