陶玉強(qiáng)，白書欣，陽世清，李 順

?

反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀

陶玉強(qiáng)1, 2，白書欣2，陽世清2，李 順2

(1. 南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，衡陽 421001；2. 國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

簡單介紹反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料(Reactive material structures, RMS)的概念、種類、應(yīng)用、能量特性、力學(xué)性能要求以及應(yīng)用時(shí)存在的主要困難，概述近些年來國內(nèi)外研究者對(duì)RMS開展的研究工作，重點(diǎn)介紹了RMS的常用制備技術(shù)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究狀況。通過分析材料制備技術(shù)的特點(diǎn)、致密化原理和強(qiáng)化機(jī)制，并結(jié)合RMS的反應(yīng)特性，對(duì)比分析了各種RMS制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出它們的適用范圍和應(yīng)用前景，為RMS制備技術(shù)選擇提供參考。指出組元多元化、新材料體系開發(fā)、強(qiáng)化機(jī)制研究、低溫致密化和可控塑性變形強(qiáng)化技術(shù)開發(fā)、大型復(fù)雜樣件制備技術(shù)開發(fā)、組織結(jié)構(gòu)和復(fù)合方式優(yōu)化是RMS及其制備技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料；熱反應(yīng)；制備技術(shù)；鋁熱劑；金屬間化合物型復(fù)合材料

反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料(Reactive material structures，RMS)是指在外界條件熱、電、力等刺激下可反應(yīng)并快速釋放大量能量，且力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到結(jié)構(gòu)件需求的一類材料，也稱能量結(jié)構(gòu)材料(Structural energetic materials)，是一類重要的反應(yīng)材料或活性材料(Reactive material，RM)[1]。由于RMS同時(shí)具有高反應(yīng)熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度雙重特征，可作為結(jié)構(gòu)件和能量器件使用，RMS又稱多功能含能結(jié)構(gòu)材料(Multifunctional energetic structural materials)[2]。RMS的能量包含動(dòng)能與化學(xué)能，其中，化學(xué)能來自材料組元間和(或)材料與環(huán)境間的放熱反應(yīng)。

RMS在國防和民用領(lǐng)域中均具有重要應(yīng)用前景。在國防領(lǐng)域，RMS代替現(xiàn)有武器中的惰性部件(無放熱反應(yīng)特性)，如鋼或鎢合金，可在動(dòng)能基礎(chǔ)上附加較大的熱能，具有引燃、引爆等二次反應(yīng)效果，從而大幅提升武器的毀傷效果，如反應(yīng)破片增強(qiáng)戰(zhàn)斗部的毀傷威力是使用惰性破片時(shí)的5倍，圖1所示為傳統(tǒng)破片與反應(yīng)破片對(duì)艙段模擬件的不同毀傷效果[3?4]。2011年12月，美國海軍水面作戰(zhàn)中心(Naval surface warfare center，NSWC)達(dá)爾格倫分部向美軍、美國政府及工業(yè)部門官員演示了“高密度反應(yīng)材料”(High density reactive materials, HDRM)的效能，該HDRM的密度與鋼相當(dāng)、強(qiáng)度達(dá)鋁合金水平、能量為TNT的1.5倍[5]。因此，RMS可以制成反應(yīng)破片或筒體，運(yùn)用到反導(dǎo)導(dǎo)彈[6]或大面積軟殺傷武器[7]中，或制成藥形罩，對(duì)硬目標(biāo)(如裝甲、混凝土、艦船)進(jìn)行侵砌、內(nèi)爆[8]，提升深部毀傷能力。另外，采用RMS制備微發(fā)火器件時(shí)還可以省去戰(zhàn)斗部的復(fù)雜引信機(jī)構(gòu)[8?9]。

在民用領(lǐng)域，可采用RMS制備石油或頁巖氣開采用射孔彈的藥形罩，利用其在穿孔過程中放出大量熱量，使巖石中的水和烴受熱膨脹，提高爆破效率，減少孔徑的殘屑，大幅提高石油開采效率，降低開采成本[10?11]。RMS還可以用做引爆裝置的導(dǎo)體材 料[12?13]，微電機(jī)的電源、汽車安全氣囊的反應(yīng)材料、微型電子器件的焊接材料等[14?15]，以及用于低溫合成高熔點(diǎn)陶瓷粉末[16]。

由于RMS在高效毀傷和防護(hù)方面均具有較高的應(yīng)用價(jià)值，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，是高效毀傷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自2000年以來，美國已資助60多項(xiàng)關(guān)于RMS的研究項(xiàng)目。國內(nèi)關(guān)于RMS的研究起步較晚，主要研究單位有北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國工程物理研究院、西安近代化學(xué)研究所等。RMS最早由HUGH[17]在美國專利中以反應(yīng)破片(Reactive fragment)的形式提出，主要包括金屬/聚合物、金屬/氧化物和金屬/金屬(準(zhǔn)金屬)三類材料體系。也有研究者將具有高反應(yīng)活性、超高強(qiáng)度的非晶或非晶基復(fù)合材料歸為RMS[5, 18?19]。這幾種材料體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。關(guān)于RMS的研究工作主要包括以下3個(gè)方面：一是材料制備方法研究，二是材料沖擊壓縮(包括靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能)和反應(yīng)釋能(包括反應(yīng)條件及效能評(píng)估)的實(shí)驗(yàn)研究，三是材料沖擊誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的理論模型研究，涉及材料科學(xué)與工程、爆炸力學(xué)和兵器科學(xué)與技術(shù)3個(gè)學(xué)科[20]。其中，關(guān)于材料沖擊釋能實(shí)驗(yàn)和沖擊誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)理論方面的研究比較多，對(duì)材料的沖擊釋能過程和機(jī)理有較清晰的認(rèn)識(shí)，而關(guān)于塊體材料制備方面的公開報(bào)道較少或信息不完整。所制備RMS的力學(xué)性能與惰性結(jié)構(gòu)材料的仍有較大的差距，且試驗(yàn)樣品多數(shù)是小尺寸樣品。

圖1 不同戰(zhàn)斗部破片對(duì)艙段模擬件的毀傷效果[4]

制備技術(shù)是RMS應(yīng)用的前提和發(fā)展的瓶頸。實(shí)現(xiàn)RMS工程應(yīng)用的前提是制備出具有一定強(qiáng)度的試件，確保試件在發(fā)射過程中完好，又能適時(shí)的反應(yīng)釋能。目前，Al/PTFE材料的制備技術(shù)相對(duì)較成熟，而致密金屬/金屬和大塊非晶的制備技術(shù)正在發(fā)展中。本文作者通過簡要介紹RMS的能量特性與力學(xué)性能要求，指出RMS制備時(shí)存在的主要困難，并重點(diǎn)介紹目前常用的RMS制備技術(shù)，指明RMS及其制備技術(shù)的發(fā)展趨勢，為RMS的研究提供技術(shù)參考。

1 RMS的能量特性與力學(xué)性能要求

1.1 能量特性

在一般環(huán)境條件下，RMS各組元間未反應(yīng)，為亞穩(wěn)態(tài)材料。材料組元間的反應(yīng)僅在高速撞擊[21]、大電流穿過[22?23]、強(qiáng)激光照射[24]或加熱[25]到臨界反應(yīng)溫度時(shí)才引發(fā)，反應(yīng)時(shí)間為亞微秒級(jí)，反應(yīng)釋放熱量與TNT的相當(dāng)[1]，甚至更高。當(dāng)反應(yīng)材料破碎成細(xì)小粉末時(shí)，其活性組元還可與環(huán)境氣氛發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng)，即粉塵爆炸。材料反應(yīng)釋放的熱量可使局部溫度達(dá)3000 K，具有自蔓燃特性，可產(chǎn)生類爆轟現(xiàn)象。與炸藥相比，RMS的反應(yīng)速率相對(duì)較低，但安定性高、感度低，生產(chǎn)、搬運(yùn)、儲(chǔ)存更安全。

引發(fā)材料反應(yīng)的關(guān)鍵是讓材料獲得足夠的能量，使其達(dá)到活化狀態(tài)，或局部區(qū)域產(chǎn)生“熱點(diǎn)”(Hot spot)?；罨緩街饕懈咚僮矒艉图訜?。國內(nèi)外研究者采用高速攝影、模擬仿真等技術(shù)對(duì)RMS在沖/撞擊過程中的反應(yīng)引發(fā)機(jī)制開展了深入的研究。高速撞擊引發(fā)過程一般為材料在高應(yīng)變率變形過程中發(fā)生孔坍塌、組元斷裂、組元?jiǎng)×覕噭?dòng)混合、新界面生成等。由于組元間的劇烈摩擦發(fā)熱，作用時(shí)間又短，可視為絕熱過程，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，在易升溫處產(chǎn)生熱點(diǎn)，使材料達(dá)到活化反應(yīng)所需臨界狀態(tài)，從而引發(fā)放熱反應(yīng)[26]。

表1 4種常見反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn)

影響材料反應(yīng)難易的主要因素：組元本征性質(zhì)、粉末粒徑、樣品致密度等，對(duì)于層狀復(fù)合材料，還與材料的雙層厚度相關(guān)。在撞擊過程中，脆性材料比塑性材料更易獲得細(xì)小的碎片，氧化反應(yīng)燃燒更充分[27]。另一方面，塑性好的組元，在制備過程中形變儲(chǔ)能大，撞擊時(shí)更易反應(yīng)[28]。因此，較難判斷脆性材料和塑性材料誰更有利于反應(yīng)。樣品中的孔洞在沖擊壓縮作用下會(huì)塌陷而引起顆粒發(fā)生劇烈的剪切變形，存在一定孔隙有利于材料撞擊反應(yīng)[29]。顆粒尺寸越大，粉末表面積越小，活性越低，其反應(yīng)速度閾值越高[30]。對(duì)于層狀材料，雙層越厚，由于組元間的接觸面積較小，擴(kuò)散距離較長，引發(fā)反應(yīng)所需粒子速度越高[31]。

1.2 力學(xué)性能要求

RMS承受的外力主要有發(fā)射時(shí)的壓應(yīng)力、飛行卸載時(shí)的拉應(yīng)力、沖擊減速時(shí)的壓應(yīng)力和穿透目標(biāo)卸載時(shí)的拉應(yīng)力，運(yùn)載、維形所需的強(qiáng)度相對(duì)較小。對(duì)于RMS，一般希望它能夠承受發(fā)射時(shí)的過載，保持結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)，也希望它在碰撞過程中或侵砌后變形破裂，從而充分反應(yīng)，但這兩者往往是矛盾的。對(duì)于與環(huán)境反應(yīng)的RMS來說，RMS撞擊后破碎得越細(xì)，活性越高，其與空氣中氧的反應(yīng)越充分，效能越好。然而，這與發(fā)射時(shí)對(duì)RMS的高強(qiáng)度要求又相矛盾。

不同結(jié)構(gòu)部件對(duì)材料力學(xué)性能的需求不一樣，目前對(duì)于RMS的力學(xué)性能并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如火炮發(fā)射過載98 kN/kg以上，榴彈發(fā)射時(shí)的膛壓可達(dá)300 MPa[32]；侵徹戰(zhàn)斗部在侵徹過程的加速度達(dá)?245 kN/kg，鋼的強(qiáng)度一般要求在1000 MPa以上[33]。目前，僅美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(Defense Advanced Research Projects Agency)在項(xiàng)目《反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料》(《Reactive Material Structure》)的招標(biāo)書中對(duì)RMS的拉伸強(qiáng)度提出了680 MPa的要求[34]。沖擊韌性、斷裂韌性、硬度也是結(jié)構(gòu)材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)，而關(guān)于這些指標(biāo)的報(bào)道相對(duì)較少。

RMS的力學(xué)性能失效主要指材料過早斷裂、破碎。對(duì)于Al/M(M為Ni、Fe、Ta、W等)復(fù)合材料，材料的失效模式主要有兩種：一是強(qiáng)化相與基體相間的界面剝離，二是基體相的局部剪切斷裂，材料的力學(xué)強(qiáng)度和失效模式由連續(xù)相與不連接相的界面強(qiáng)度、連續(xù)相的成分決定[35]?？梢?，材料組元的力學(xué)性能和界面強(qiáng)度對(duì)RMS的力學(xué)性能有較大的影響。

對(duì)于RMS，除能量和力學(xué)性能外，材料的密度也是一個(gè)比較關(guān)鍵的指標(biāo)，一般希望RMS的密度接近所替代惰性部件的密度，減少部件變動(dòng)帶來的設(shè)計(jì)變更和動(dòng)能的減少。總的來說，對(duì)多數(shù)RMS的要求是高強(qiáng)度、高能量密度和高密度。

2 RMS制備技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提高材料的界面(晶界、相界)結(jié)合和降低材料孔隙度是獲得高強(qiáng)度材料的主要途徑。對(duì)于多數(shù)粉末冶金材料來說，材料的致密化和良好的界面結(jié)合需依靠原子的高溫?cái)U(kuò)散遷移來實(shí)現(xiàn)，且原子發(fā)生明顯擴(kuò)散時(shí)的溫度很可能會(huì)高于RMS的起始反應(yīng)溫度。為避免材料發(fā)生反應(yīng)而將反應(yīng)熱提前釋放，在制備過程中原材料不能受到劇烈的沖擊或摩擦，溫度不能高于臨界反應(yīng)溫度，因此較難獲得高強(qiáng)度的RMS。如何獲得高強(qiáng)度RMS且不顯著降低其能量是RMS制備的難題。一直以來，開發(fā)出滿足材料應(yīng)用性能要求的制備技術(shù)是材料研究者的主要目標(biāo)之一，也是RMS研究的核心和難點(diǎn)。研究者從材料制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面開展了大量研究，以期獲得同時(shí)滿足能量和力學(xué)性能需求的RMS。

2.1 制備技術(shù)

2.1.1 粉末冶金

1) 壓制?燒結(jié)兩步法

壓制?燒結(jié)兩步法易實(shí)現(xiàn)小件、批量生產(chǎn)，是Al/PTFE、Al/W/PTFE、Zr/PTFE等PTFE基復(fù)合材料常用的制備技術(shù)[3, 36?39]。Al/PTFE的力學(xué)性能、反應(yīng)活化能與壓制壓力、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)相關(guān)[39?41]。如當(dāng)壓制壓力較高時(shí)，燒結(jié)樣品中PTFE易形成納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使材料的反應(yīng)活化能降 低[39]。燒結(jié)溫度對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響最大，主要由于PTFE基反應(yīng)材料的燒結(jié)致密化主要依靠PTFE，而PTFE的結(jié)構(gòu)與燒結(jié)溫度有關(guān)。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)PTFE未完全熔融混合，結(jié)晶度不高，而燒結(jié)溫度過高時(shí)，又存在PTFE分解，導(dǎo)致密度下降。常見的燒結(jié)溫度為380 ℃，保溫時(shí)間為2~6 h。

對(duì)于金屬/Al類型的RMS，采用常規(guī)的冷壓?燒結(jié)工藝較難獲得高致密度和高強(qiáng)度。由黃培云壓制理論可知[42](見式(1))，增加壓制壓強(qiáng)可提高材料的致密度，但當(dāng)致密度達(dá)到一定程度后，隨壓強(qiáng)的增加，致密度的提高變緩。受模具承壓能力、加工硬化等因素的影響，采用常規(guī)的靜態(tài)冷壓成型很難獲得全致密壓坯。XIONG等[43?44]采用模壓成型制備了Ni/Al、Ni/Al/PTFE、Ni/Al/Cu 3種復(fù)合材料，壓制壓強(qiáng)為850 MPa，材料的致密度分別達(dá)到94.3%、95.2%和98.5%，但由于沒有經(jīng)過燒結(jié)，相界面未形成有效的冶金結(jié)合，材料的壓縮強(qiáng)度分別為266 MPa、114 MPa、240 MPa。另外，由粉末冶金燒結(jié)理論可知，燒結(jié)溫度約為0.8m(m為材料熔點(diǎn))[42]。由于Al粉末表面易存在致密氧化膜，其在固態(tài)下較難燒結(jié)致密化。另一組元的熔點(diǎn)較高，如Ni、Fe、Ti，當(dāng)溫度達(dá)到它們的燒結(jié)溫度時(shí)，Al往往已經(jīng)熔化而引發(fā)反應(yīng)。實(shí)際上，該類復(fù)合材料在Al熔化前就可反應(yīng)[45]。因此，較難通過燒結(jié)提高該類材料的致密度和力學(xué)性能。如張度寶等[46]采用冷壓?燒結(jié)工藝制備了Ni/Al復(fù)合材料，燒結(jié)溫度從510 ℃上升至550 ℃時(shí)，材料的強(qiáng)度略有提高，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別為66.0 MPa 和294.6 MPa，拉伸強(qiáng)度僅比純Al的拉伸強(qiáng)度57 MPa略高。當(dāng)燒結(jié)溫度為560 ℃時(shí)，復(fù)合材料則發(fā)生反應(yīng)。王肖義[47]也研究了燒結(jié)溫度對(duì)Fe/Al復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明燒結(jié)溫度為510 ℃時(shí)，Al與Fe的界面處發(fā)生擴(kuò)散和生成微量金屬間化合物，材料的致密度與壓坯的相近，低于92%，靜態(tài)壓縮強(qiáng)度僅比壓坯的提高2.4%，抗拉強(qiáng)度為104.8 MPa。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到590 ℃時(shí)，則反應(yīng)生成金屬間化合物。

黏結(jié)劑在粉末冶金中常用于改善材料的成型性能。隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，黏結(jié)劑不再局限于高分子聚合物，低熔點(diǎn)合金、玻璃等新型黏結(jié)劑也被應(yīng)用到RMS制備中，如Bi合金、Bi-Sn合金、In合金。STAMATIS等[48]采用In為黏結(jié)劑，在其熔點(diǎn)上進(jìn)行壓制成形，制備Al/MoO3納米反應(yīng)復(fù)合材料，材料的密度、拉伸強(qiáng)度比無黏結(jié)劑或采用有機(jī)黏結(jié)劑PEG時(shí)的高，這主要?dú)w功于新型黏結(jié)劑的加入提高了材料的致密度。美國ATK公司的專利中也報(bào)道采用熔點(diǎn)79 ℃的57Bi-26In-17Sn合金、熔點(diǎn)108 ℃的52.5In-46Sn- 1.8Zn合金作黏結(jié)劑，制備金屬?金屬、金屬/PTFE、金屬/THV(THV為四氟乙烯、六氟丙烯與偏氟乙烯的共聚物)等材料[6, 49]。Lookheed Martin公司也采用金屬黏結(jié)相作為反應(yīng)破片的承載體來提高材料的穿甲性能[50?51]。采用低熔點(diǎn)金屬合金作為黏結(jié)劑，推動(dòng)了液相燒結(jié)、鑄造、注射成形等方法在RMS制備中的應(yīng)用。同時(shí)，采用低熔點(diǎn)金屬作黏結(jié)劑時(shí)，材料的強(qiáng)度易受黏結(jié)劑的性能以及顆粒的界面強(qiáng)度影響，開發(fā)具有高強(qiáng)度的低熔點(diǎn)金屬黏結(jié)劑將是RMS制備的一個(gè)發(fā)展方向。

2) 熱壓(HP)/熱等靜壓(HIP)

HP、HIP技術(shù)在燒結(jié)過程中借助于外界壓力，提高了燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，因此可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)材料的致密化和抑制晶粒長大，是制備納米復(fù)合材料和難致密復(fù)合材料的一種有效工藝，HIP還可制備尺寸復(fù)雜樣件。國內(nèi)外研究者對(duì)RMS的HP、HIP工藝進(jìn)行了探索，獲得了一定密度和力學(xué)性能的RMS材料，但這種技術(shù)目前主要應(yīng)用于依靠與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)的RMS。

劉曉俊等[52]和任會(huì)蘭等[53]采用HP制備了密度為8.32 g/cm3、致密度達(dá)99.2%的Zr/W復(fù)合材料，熱壓過程中部分W與Zr發(fā)生反應(yīng)生成W2Zr相，提高了材料的強(qiáng)度和脆性，材料的靜態(tài)壓縮強(qiáng)度達(dá)1000 MPa以上。由于該材料的反應(yīng)熱主要來源于Zr或ZrC晶粒與空氣間的氧化反應(yīng)，材料的基體仍為Zr相，因此試樣在強(qiáng)沖擊載荷作用下破碎后仍可反應(yīng)并釋放大量的熱量。

采用HIP制備RMS的公司主要是美國的Matsys公司，但該公司對(duì)工藝和材料成份都進(jìn)行了保密。Matsys公司報(bào)道，他們采用HIP法制備了密度達(dá)7.8 g/cm3的異形結(jié)構(gòu)的金屬?金屬反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料，如圖2所示，材料的強(qiáng)度約138 MPa[54]。另外，Matsys公司還采用HIP工藝制備了密度達(dá)17 g/cm3、直徑約127 mm的Hf44.5Ti5Cu27Ni13.5Al10/W致密復(fù)合材料[55]，密度約7.8 g/cm3、近全致密的Hf/Al及Hf/Al/Bi2O3復(fù)合材料[33]，所制備的Hf/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度分別達(dá)397 MPa、522 MPa。

圖2 Matsys公司采用HIP制備的反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料[54]

由此可見，采用HP或HIP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)RMS的致密化，獲得良好的力學(xué)性能，且保持材料的能量特性，是十分有前景的RMS制備技術(shù)。

3) 爆炸成形

爆炸成形是一種利用炸藥產(chǎn)生的超強(qiáng)沖擊波使粉末原料在室溫固結(jié)的成形技術(shù)。爆炸沖擊波一般可達(dá)幾十、幾百GPa，用于壓制普通壓機(jī)無法壓制的大型預(yù)成形件或難制備的復(fù)合材料，所獲得壓坯的密度極高，壓坯密度受爆炸壓力影響較大，如式2所示[56]。THADHANI等[28, 35]采用爆炸成形制備了致密度97%~ 99%的Al/Ni、Al/W、Al/Ta復(fù)合材料，其中Al/Ta的強(qiáng)度達(dá)450 MPa。由于爆炸成形是依靠炸藥產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波使粉末致密化，而沖擊波的強(qiáng)度達(dá)到RMS的反應(yīng)閾值時(shí)會(huì)引起材料發(fā)生放熱反應(yīng)。因此，如果工藝控制不當(dāng)，如爆炸沖擊波的強(qiáng)度達(dá)到材料反應(yīng)閾值時(shí)，材料也會(huì)發(fā)生一定程度的反應(yīng)而損失部分能量[57]。目前，國內(nèi)采用爆炸成形制備RMS的報(bào)導(dǎo)較少。

4) 高壓扭轉(zhuǎn)

高壓扭轉(zhuǎn)法是在變形體高度方向施加壓力的同時(shí)，通過主動(dòng)摩擦作用在其橫截面上施加一扭矩，使變形體產(chǎn)生軸向壓縮和切向剪切變形的特殊塑性變形工藝。采用該工藝易獲得亞微米或納米級(jí)晶粒，材料的力學(xué)性能得到顯著改善，是制備塊體納米材料的一種新方法。HORITA等[58]采用高壓扭轉(zhuǎn)法制備了不同Ti分?jǐn)?shù)的Ti/Al復(fù)合材料，其中Ti/3.2Al的拉伸強(qiáng)度達(dá)400 MPa，未發(fā)生合金化。在變形過程中，由于樣品邊部與芯部變形量不同，易導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)不均勻，高壓扭轉(zhuǎn)法并不適合制備大尺寸樣品[59]。

5) 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)耦合了熱、力、等離子體三方面的作用，是一種快速、低溫、節(jié)能的材料制備新技術(shù)，在燒結(jié)致密化過程中可有效抑制晶粒的長大，在納米材料等新型功能材料中具有廣泛應(yīng)用。

研究者探索了RMS的SPS燒結(jié)技術(shù)，但效果并不理想。DE技術(shù)公司對(duì)Al/Hf混合粉在555~600 ℃下直接無壓SPS燒結(jié)，材料的孔隙率較高，達(dá)30%，燒結(jié)溫度為600 ℃時(shí)生成較多的金屬間化合物。另外，DE技術(shù)公司還對(duì)經(jīng)冷等靜壓預(yù)成形、致密度達(dá)93%的Al/Hf、Al/Hf/W、Al/Hf/Ta壓坯進(jìn)行無壓SPS燒結(jié)致密化。然而，燒結(jié)過程中材料的致密度仍未得到改善。DE技術(shù)公司認(rèn)為RMS的SPS燒結(jié)制備技術(shù)存在一些短時(shí)間難以解決的技術(shù)困難[33]。SPS燒結(jié)主要是依靠直流脈沖放電在顆粒界面處產(chǎn)生局部高溫，使材料能夠均勻、快速的燒結(jié)致密化。根據(jù)RMS的熱點(diǎn)反應(yīng)機(jī)制以及自蔓燃特性，樣品的局部高溫很可能會(huì)引起材料反應(yīng)而失效，可見，SPS并不適合制備組元間可反應(yīng)的RMS。

2.1.2 噴涂

噴涂技術(shù)主要用于制備表面涂層，以改善材料的耐蝕、摩擦、隔熱等性能，同時(shí)也可用于制備薄壁管形器件。噴涂依據(jù)粉料的加熱程度可分為熱噴涂和冷噴涂兩種。為了獲得較好的致密度和粘著性，噴速一般較高，達(dá)800 m/s[60]。噴涂工藝參數(shù)對(duì)控制制備過程中的反應(yīng)相當(dāng)重要，如粉末駐留時(shí)間、基體溫度、撞擊速率。粉末的高速撞擊，類似于樣品的沖擊實(shí)驗(yàn)，當(dāng)速度高于臨界閾值時(shí)也會(huì)引起材料反應(yīng)。BACCIOCHINIT等[60]對(duì)沉積基體表面前的Ni/Al粉料進(jìn)行收集，發(fā)現(xiàn)粉料以一定速度經(jīng)過300~800 ℃預(yù)熱區(qū)時(shí)未發(fā)生反應(yīng)，但在沉積層中卻發(fā)現(xiàn)部分反應(yīng)產(chǎn)物，認(rèn)為反應(yīng)是在沖擊沉積過程引起的。

目前，國內(nèi)外均開展了RMS的噴涂技術(shù)研究，并取得了一定成績。表面處理技術(shù)(Surface treatment technologies)公司[61]采用熱噴涂技術(shù)在Cu基底上制備了致密度達(dá)97%~98%、具有一定強(qiáng)度的Ni/Al含能藥形罩，沉積速率達(dá)1 mm/h。BACCIOCHINIT等[60]先采用機(jī)械合金化制備納米級(jí)Ni/Al混合粉，然后采用冷噴涂在6061鋁合金上制備高反應(yīng)活性、低孔隙率的Ni/Al納米復(fù)合材料涂層。BACCIOCHINIT等[62]還采用冷噴涂制備了致密度和抗彎強(qiáng)度較高的2Al/3CuO復(fù)合材料，其相對(duì)密度達(dá)99.8%、抗彎強(qiáng)度達(dá)(193±39) MPa。AYDELOTTE等[27]采用冷噴涂制備了外徑30 mm、內(nèi)徑22 mm、高4 mm的環(huán)狀樣和圓桶狀Ni/Al復(fù)合材料。宋丹丹[56]也采用冷噴涂制備了不同組成的Ni/Al/W復(fù)合材料，所制備材料的致密度為92%~94%，材料的致密化主要依靠Al的塑性變形。Ni、W均勻分布于Al基體內(nèi)，隨著Ni含量的升高，易出現(xiàn)Ni組元的富集?？梢姡瑖娡考夹g(shù)是一種制備RMS的較好方法。

除冷噴涂和熱噴涂外，還有物理沉積(如磁控濺射)[12, 63]、化學(xué)氣相沉積[50]、電泳沉積[64]等RM薄膜制備方法。王窈等[12]采用磁控濺射在陶瓷基底上制備了不同厚度的Al/Ni復(fù)合爆炸箔，結(jié)果表明飛片速度與薄膜厚度相關(guān)。

2.1.3 半固態(tài)攪拌

半固態(tài)攪拌是指在合金或基體相的固相線以上、液相線以下溫度進(jìn)行攪拌，使固相分布均勻，然后澆注或擠壓成形的制備工藝。主要影響因素有攪拌速度、溫度、時(shí)間和冷卻調(diào)控等。該工藝成本低、可實(shí)現(xiàn)大尺寸復(fù)合材料的制備，主要適用于反應(yīng)溫度高于基體液相線以上或依靠組元與環(huán)境間反應(yīng)產(chǎn)生能量的反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料體系。目前，采用半固態(tài)攪拌制備RMS的研究還比較少。B6-Sigma公司通過調(diào)控溫度、攪拌速度和時(shí)間，采用模壓鑄造成形工藝制備了357Al(對(duì)應(yīng)中國牌號(hào)ZL114A)合金與W或Ta的復(fù)合材料，W、Ta的體積分?jǐn)?shù)達(dá)30%~40%，并通過熱處理獲得易破碎成細(xì)小金屬顆粒的RMS[65]。隨著低熔點(diǎn)基體的開發(fā)，將有更多的反應(yīng)材料體系適用于半固態(tài)攪拌制備技術(shù)。

2.1.4 浸滲

浸滲工藝結(jié)合了粉末冶金和鑄造的特點(diǎn)，是一種特殊的粉末冶金工藝。該工藝通過毛細(xì)管力、重力將液相(熔體、漿料)滲入到多孔坯體中來制備復(fù)合材料，易獲得全致密、雙相互穿結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，可充分利用組元的性能。潤濕性和界面反應(yīng)是浸滲的關(guān)鍵，其中浸滲溫度和保溫時(shí)間是浸滲工藝的兩個(gè)重要工藝參數(shù)。如DE技術(shù)公司[33]采用浸滲法將含有Al粉的樹脂浸滲到W絲編織的預(yù)制體中，充分利用了W絲編織體的強(qiáng)度，獲得了W絲強(qiáng)化的樹脂基復(fù)合材料。通過優(yōu)化W絲的編織結(jié)構(gòu)和基體成分，材料的拉伸強(qiáng)度接近680 MPa。通過與4340馬氏體鋼進(jìn)行連接組合，DE技術(shù)公司還制備了用于動(dòng)態(tài)測試的飛行器(Dynamic test vehicle, DTV)，如圖3所示。MOCK 等[66]在專利中也介紹了向多孔金屬Al (或Zr、Hf、Ta、Ti、Mg)骨架中浸滲PTFE等聚合物的方式制備RMS。

浸滲工藝還被用于制備穿甲用非晶/W復(fù)合材料。劉娜[67]采用壓滲和快速冷淬工藝制備了具有雙相互穿結(jié)構(gòu)的Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5/W復(fù)合材料，材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)3420 MPa，斷裂變形量約46.7%。LI等[68]也采用壓滲和快速冷淬工藝制備了強(qiáng)度約2200 MPa、塑性變形量大于30%的雙連續(xù)相Zr57Nb5Al10Cu15.4- Ni12.6/70%W復(fù)合材料。

2.1.5 軋制

軋制的原材一般為板材或箔片，也可為粉末或粉末壓坯。軋制過程中，原料受剪切力而變形、斷裂、復(fù)合，最終形成相分布均勻的復(fù)合材料。經(jīng)過一定變形后，顆粒內(nèi)晶粒大小可達(dá)納米級(jí)，細(xì)晶強(qiáng)化作用比較明顯，易獲得高強(qiáng)度的復(fù)合材料。影響軋制效果的主要因素有：道次變形量、軋制總變形量、軋制速率、軋制溫度、原材料表面狀態(tài)等。

圖3 DE技術(shù)公司制備的鎢絲強(qiáng)化樹脂基復(fù)合材料及與鋼復(fù)合后的DTV[33]

研究者采用累積軋制(Accumulative roll bonding, ARB)制備了Ti/Al、Ni/Al等復(fù)合材料，所制備的復(fù)合材料的強(qiáng)度一般可達(dá)到鋁合金的水平，但軋制前和軋制過程中需對(duì)板材或箔片進(jìn)行去油、表面粗糙化、固定等處理，工序相對(duì)較復(fù)雜。如YANG等[69]采用ARB工藝制備了細(xì)等軸晶的Ti/4.26Al復(fù)合材料，材料的拉伸強(qiáng)度約524 MPa；MOZAFFARI等[70]采用ARB工藝制備了35Al/65Ni復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度約370 MPa。南京理工大學(xué)的JI等[71]以Ni板和Al板為原材，經(jīng)4道次軋制，制備了Ni/Al復(fù)合材料，但Ni與Al的界面結(jié)合強(qiáng)度并不理想，材料的壓縮強(qiáng)度為180 MPa。同時(shí)作者還采用彈道槍對(duì)其進(jìn)行了能量測試，所制備材料具有顯著的撞擊放熱反應(yīng)，能量與撞擊速度相關(guān)。從研究結(jié)果可知，通過合理的軋制可獲得較好的力學(xué)性能，且軋制過程中材料的變形程度可控，可避免材料反應(yīng)，是提高RMS力學(xué)性能的重要途徑。

2.1.6 擠壓

擠壓是型材常用的制備方法，也是合金塑性變形強(qiáng)化的重要技術(shù)手段，可在室溫或加熱態(tài)進(jìn)行，同時(shí)也可用于制備定向排列的復(fù)合材料。主要工藝參數(shù)有擠壓溫度、擠壓比、擠壓速度等，材料不同，其擠壓工藝也不同。擠壓過程中由于材料發(fā)生劇烈變形，易細(xì)化晶粒而提高材料強(qiáng)度。由于在擠壓過程中存在較難控制的摩擦熱，易引起材料發(fā)生反應(yīng)，采用擠壓工藝制備RMS的報(bào)道不多。RUSSELL等[72]采用包套熱擠壓工藝制備了80Al/20Ti、80Al2024/20Ti棒材，其中，80Al/20Ti真應(yīng)變達(dá)13.9而未發(fā)生反應(yīng)，拉伸強(qiáng)度達(dá)890 MPa。當(dāng)真應(yīng)變大于13.9時(shí)，會(huì)生成脆性相Al3Ti相，導(dǎo)致擠壓失敗。隨著擠壓技術(shù)的發(fā)展，擠壓將成為制備高強(qiáng)度RMS的有效途徑之一。

從上述公開報(bào)道可知，目前制備RMS的技術(shù)較多，但每種技術(shù)均有自己的局限性，如表2所示，開發(fā)新的制備技術(shù)仍將是RMS的研究重點(diǎn)。另外，由于RMS的軍事用途和制備技術(shù)的重要性，也可能存在一些未報(bào)道的技術(shù)突破。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是材料制備的關(guān)鍵步驟，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提升材料的性能，從而備受研究者的重視。RMS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括材料自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件裝配(即RMS與其他材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配優(yōu)化)兩部分。

2.2.1 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行材料自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是提高RMS的飛行速度或定向破碎。美國B6-Sigma采用電子束或激光在由RMS制備的戰(zhàn)斗部外殼表面熔蝕出形似藥形罩的錐形坑，充分利用了藥形罩的聚能作用，破片的速度比無錐形坑的高約一倍[65]。為了獲得較好的沖擊破碎效果，實(shí)現(xiàn)金屬的燃燒，B6-Sigma公司通過調(diào)控組元顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)了一種在10~100 μm范圍內(nèi)存在密度和沖擊波阻抗差較大的Al/W復(fù)合材料，如圖4所示[65]。該結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在沖擊或炸藥作用下易破碎成細(xì)小的顆粒，可促進(jìn)金屬與環(huán)境間的放熱反應(yīng)。

2.2.2 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于RMS的性能尚未能達(dá)到直接替代現(xiàn)有惰性部件所需的水平，部分替代惰性部件是目前提高器件效能的有效途徑。將反應(yīng)材料與高強(qiáng)度合金進(jìn)行連接復(fù)合，可克服材料在侵徹硬目標(biāo)時(shí)強(qiáng)度和硬度的不足，顯著提高反應(yīng)材料的靶后效。B6-Sigma公司[73]制備了由穿甲頭部(WC+Ta)和可形成反應(yīng)碎片的金屬尾部(Zr)兩部分組成的子彈頭，如圖5所示。通過這一組合后，子彈可穿輕裝甲和建筑，具有顯著的靶后效。沈杰[74]對(duì)這一結(jié)構(gòu)的彈芯進(jìn)行了侵徹金屬靶板模擬，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)彈芯比普通彈芯具有更好的毀傷效果。DE技術(shù)公司將筒狀W絲增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與4340馬氏體鋼通過膠、栓連接復(fù)合，復(fù)合構(gòu)成的飛行器具有良好的力學(xué)性能，在侵砌混凝土過程中保持完好[33]。

表2 目前報(bào)道的RMS制備技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)

圖4 半固態(tài)攪拌工藝制備的Al/W復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)示意圖[65]

圖5 B6-sigma公司研制的FragFire?穿甲子彈[73]

通過器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可整合兩材料的優(yōu)點(diǎn)，獲得綜合性能更加優(yōu)異的組件。常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為嵌套復(fù)合。Liquid Metal公司將非晶與4340馬氏體鋼套筒進(jìn)行復(fù)合，制備炮彈的殼體，炮彈可承受發(fā)射速度為2 km/s的加載，克服了非晶在高速加載時(shí)的破碎問題，殼體的比強(qiáng)度及對(duì)目標(biāo)的作用效果得到顯著提高[5]。研究者還通過將Ni/Al等具有高反應(yīng)能量的反應(yīng)材料與銅等具有良好力學(xué)性能的惰性金屬復(fù)合，制備嵌套藥形罩，一方面可避免藥形罩在發(fā)射過程中射流離散的問題，另一方面可提高傳統(tǒng)藥形罩的整體能 量[61, 63]。另外，嵌套的方式對(duì)RMS的能效也有較大影響。FREDENBURG等[75]通過改變裝載Ta+Bi2O3混合粉的馬氏體鋼的管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)劃成九格的網(wǎng)狀馬氏體鋼比空心管更易使混合粉發(fā)生反應(yīng)，主要是由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于將撞擊過程中的動(dòng)能通過鋼的變形儲(chǔ)能傳遞給鋁熱劑。

解決爆炸驅(qū)動(dòng)不反應(yīng)與撞靶迅速反應(yīng)間的矛盾是實(shí)現(xiàn)活性破片應(yīng)用的關(guān)鍵。通過在RMS與炸藥間設(shè)置緩沖層，可在一定程度上解決這一矛盾，使部分RMS能夠經(jīng)受炸藥的驅(qū)動(dòng)，且在撞擊過程中發(fā)生顯著的放熱反應(yīng)。緩沖層材料及緩沖層厚度對(duì)緩解矛盾的效果都有影響，常見的緩沖層有Al、尼龍、凱夫拉 等[76?77]。有時(shí)，研究者也在兩層反應(yīng)材料中間引入一薄陶瓷或玻璃層以緩減反應(yīng)速度[63]。

綜上所述可知，對(duì)RMS進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既克服現(xiàn)有RMS材料力學(xué)性能上的不足，又可使材料的性能得到充分的發(fā)揮，因此，對(duì)RMS進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是材料制備的重要部分。

3 RMS及其制備技術(shù)發(fā)展趨勢

1) 高能量、高密度、高強(qiáng)度RMS的成份多元化。為同時(shí)滿足材料的“三高”要求，RMS將不僅局限于單一的金屬?金屬、金屬?金屬氧化物，需向多組元復(fù)雜材料體系發(fā)展，如金屬?金屬?金屬氧化物?有機(jī)物多成份復(fù)合材料，或?qū)で笮虏牧象w系，如非晶、高熵合金。掌握和利用原料特性及組元間的相互作用是成功設(shè)計(jì)和制備RMS的前提，采用分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算方法進(jìn)行材料成分設(shè)計(jì)、優(yōu)化將成為復(fù)雜材料體系成份設(shè)計(jì)的主要手段。

2) 制備工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互融合的制備技術(shù)。材料的顯微結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)RMS使役性能的影響已初見端倪，發(fā)展低溫致密化和可控塑性變形強(qiáng)化等制備技術(shù)，設(shè)計(jì)、優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)以及與其他材料的復(fù)合方式，處理強(qiáng)度與能量釋放兩者間的關(guān)系，提高材料的力學(xué)性能、能量釋放效率，將是RMS今后發(fā)展的主要方向之一。

3) 低成本、規(guī)?；?、安全可控的先進(jìn)制備技術(shù)。掌握RMS的強(qiáng)化機(jī)制和技術(shù)手段，開發(fā)先進(jìn)制備技術(shù)是今后發(fā)展的重中之重。隨著RMS的發(fā)展和需求增加，對(duì)原料的活性以及材料的數(shù)量、尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的要求將更高。降低制備成本，實(shí)現(xiàn)高活性材料制備過程的可控性和批量化生產(chǎn)，制備出大尺寸復(fù)雜樣件將是RMS制備技術(shù)的又一主要發(fā)展方向。

[1] REDING D J. Shock induced chemical reactions in energetic structural materials[D]. Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2009: 1?24.

[2] 張先鋒, 趙曉寧. 多功能含能結(jié)構(gòu)材料研究進(jìn)展[J]. 含能材料, 2009, 17(6): 731?739. ZHANG Xian-feng, ZHAO Xiao-ning. Review on multifunctional energetic structural materials [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2009, 17(6): 731?739.

[3] 葉文君, 汪 濤, 魚銀虎. 氟聚物基含能反應(yīng)材料研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝, 2012, 42(6): 19?23. YE Wen-jun, WANG Tao, YU Yin-hu. Research progress of fluoropolymer-matrix energetic reactive materials[J]. Aerospace Materials and Technology, 2012, 42(6): 19?23.

[4] Committee on advanced energetic materials and manufacturing technologies, national research council of the national academies. Advanced energetic materials[M]. Washington D C, USA: The National Academies Press, 2004: 20?23.

[5] KAJUCH J. Reactive alloy for inert warheads [EB/OL]. http:// www.virtualacquisitionshowcase.com/document/1472/briefing, 2010.

[6] TRUITT R M, NIELSON D B, ASHCROFT B N, BRAITHWAITE P C, ROSE M T, CVETNIC M A. Weapons and weapon components incorporating reactive materials: US, 7614348[P]. 2009?11?10.

[7] Wikipedia. Reactive material[EB/OL]. http://en.wikipedia.org/ wiki/Reactive_material, 2015?01?27.

[8] DANIELS A S, BAKER E L, DEFISHER S E, NG K W, PHAM J. BAM BAM: Large scale unitary demolition warhead[C]// Proceedings of the 23rd International Symposium on Ballistics. Tarragona, Spain: International Ballistics Society, 2007: 239?246.

[9] 陳曉勇, 董 帥, 熊繼軍. MEMS微發(fā)火器件研究現(xiàn)狀[J]. 微納電子技術(shù), 2016, 53(6): 381?386. CHEN Xiao-yong, DONG Shuai, XIONG Ji-jun. Research status of MEMS micro initiators[J]. Micronanoelectronic Technology, 2016, 53(6): 381?386.

[10] 布爾內(nèi) B, 克拉克 N G. 油井射孔器中以及與油井射孔器相關(guān)的改進(jìn): 中國, 101680733[P]. 2013?08?14. BOURNE B, CLARK N G. Improvements in and relating to oil well perforators: China, 101680733[P]. 2013?08?14.

[11] 朱建新. 新型自清潔射孔彈實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(2): 144?149. ZHU Jian-xin. Experimental study on new self-cleaning perforator[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2015, 36(2): 144?149.

[12] 王 窈, 孫秀娟, 郭 菲, 付秋菠. Al/Ni爆炸箔電爆特性及驅(qū)動(dòng)飛片能力研究[J]. 火工品, 2016(3): 5?8. WANG Yao, SUN Xiu-juan, GUO Fei, FU Qiu-bo. Study on electrical characteristic and flyer driven ability of Al/Ni exploding foil[J]. Initiators and Pyrotechnics, 2016(3): 5?8.

[13] MORRIS C J, WILKINS P, MAY C, ZAKAR E. Reactive conductors for increased efficiency of exploding foil initiators and other detonators: US, 8336437[P]. 2013?05?30.

[14] PIERCEY D G, KLAPOTKE T M. Nanoscale aluminum-metal oxide (thermite) reactions for application in energetic materials[J]. Central European Journal of Energetic Materials, 2010, 7(2): 115?129.

[15] WOLL K, BERGAMASCHI A, AVCHACHOV K, DJURABEKOVA F, GIER S, PAULY C, LEIBENGUTH P, WAGNER C, NORDLUND K, MüCKLICH F. Ru/Al multilayers integrate maximum energy density and ductility for reactive materials[J]. Scientific Reports, 2016, 6(7): 19535.

[16] 魚銀虎. 氟聚物和氟化石墨促進(jìn)TiC低溫高效固相合成機(jī)理研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2015: 35?80. YU Yin-hu. Low temperature solid-state synthesis of TiC induced by fluoropolymer and graphite fluoride[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015: 35?80.

[17] HUGH E. Reactive fragment: US, 3961576[P]. 1976?06?08.

[18] 潘念僑. Zr基非晶合金材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系及其釋能效應(yīng)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2016. PAN Nian-qiao. Dynamic Zr based amorphous alloy material constitutive relation and release energy effect research[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2016.

[19] 潘念僑, 杜忠華, 朱正旺, 雷曉云, 徐立志. ZrTiNiCuBe塊體非晶合金剪切帶內(nèi)溫升與斷裂溫升[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2016, 26(5): 973?979. PAN Nian-qiao, DU Zhong-hua, ZHU Zheng-wang, LEI Xiao-yun, XU Li-zhi. Temperature rise in shear bands and fracture temperature rise of ZrTiNiCuBe bulk amorphous alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(5): 973?979.

[20] 史安順. 多功能含能結(jié)構(gòu)材料沖擊壓縮特性及其反應(yīng)行為研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013. SHI An-shun. Research on the dynamic behavior and chemical reaction under shock compression of the multifunctional energetic structural materials[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[21] RICHARD G A. Energy release characteristics of impact- initiated energetic materials[J]. Materials Research Society Symposia Proceedings, 2006, 896: 123?132.

[22] DAVISON D K, JOHNSON R F. Electrically activated, metal-fueled explosive device: US, 5859383[P]. 1999?01?12.

[23] SPEY S J Jr. Ignition properties of multilayer nanoscale reactive foils and the properties of metal-ceramic joints made with the same[D]. Maryland: The John Hopkins University, 2006.

[24] SHAROVICH E, MUKASYAN A, THIERS L, VARMA A, LEGRAND B, CHAUVEAU C, GOKALP I. Ignition and combustion of Al particles clad by Ni[J]. Combustion Science and Technology, 2002, 174(3): 125?140.

[25] UMBRAJKAR S M, SCHOENITZ M, DREIZIN E L. Exothermic reactions in Al-CuO nanocomposites[J]. Thermochimica Acta, 2006, 451(1/2): 34?43.

[26] ZAHARIEVA R. Ab initio studies of equations of state and chemical reactions of reactive structural materials[D]. Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2011.

[27] AYDELOTTE B, BRAITHWAITE C H, MCNESBY K, BENJAMIN R, THADHANI N N, WILLIAMSON D M, TREXLER M. A study of fragmentation in a Ni+Al structural energetic material[C]// Shock Compression of Condensed Matter-2011: Proceedings of the Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter, Illinois, USA: AIP Publishing, 2012, 1426(1): 1097?1100.

[28] AYDELOTTE B B, THADHANI N N. Mechanistic aspects of impact initiated reactions in explosively consolidated metal+aluminum powder mixtures[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 570: 164?171.

[29] EAKINS D E, THADHANI N N. Mesoscale simulation of the configuration-dependent shock-compression response of Ni+Al powder mixture[J]. Acta Materialia, 2008, 56(7): 1496?1510.

[30] YANG Y. Experimental study of shock-induced exothermic reactions in Ni-Al powder mixtures[D]. Raleigh: Graduate Faculty of North Carolina State University, 1996.

[31] SPECHT P E, THADHANI N N, STOVER A K, WEIHS T P. Meso-scale computational study of the shock-compression of cold-rolled Ni-Al laminates[C]// Shock Compression of Condensed Matter 2009: Proceedings of the Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter. Tennessee, USA: AIP Publishing, 2009, 1195(1): 57?60.

[32] 李向東, 錢建平, 曹 兵, 沈培輝. 彈藥概論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004: 39. LI Xiang-dong, QIAN Jian-ping, CAO Bing, SHEN Pei-hui. Overview of ammunition[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2004: 39.

[33] GRUDZA M E, FLIS W J, LAM H L, JANN D C, CICCARELLI R D. Reactive material structures[R]. King of Prussia, PA: De Technologies Inc, 2014.

[34] Defense Advanced Research Projects Agency. Reactive material structures (RMS) [EB/OL]. http://www.fbo.gov/index?s= opportunity&mode=for&id=e8068d5029d0c7a9b9897d029eca8187&tab=core&_cview=0, 2008?04?16.

[35] WEI C T, VITALI E, JIANG F, DU S W, BENSON D J, VECCHIO K S, THADHANI N N, MEYERS M A. Quasi-static and dynamic response of explosively consolidate metal- aluminum powder mixture[J]. Acta Materialia, 2012, 60(3): 1418?1432.

[36] 喬 良, 涂 建, 趙利軍, 龔 蘋, 馬愛娥, 張先鋒, 張 將, 喬光利. Al/W/PTFE粒徑級(jí)配關(guān)系對(duì)材料強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2014, 37(6): 17?21. QIAO Liang, TU Jian, ZHAO Li-jun, GONG Ping, MA Ai-e, ZHANG Xian-feng, ZHANG Jiang, QIAO Guang-li. Influence of particle size grading on strength of Al/W/PTFE composite[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2014, 37(6): 17?21.

[37] FENG B, FANG X, WANG H X, DONG W, LI Y C. The effect of crystallinity on compressive properties of Al-PTFE[J]. Polymers, 2016, 8(10): 356?369.

[38] 陳志優(yōu). 金屬/聚四氟乙烯反應(yīng)材料制備和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性[D]. 北京: 北京理工大學(xué), 2016. CHEN Zhi-you. Preparation process and dynamic mechanical property of metal/PTFE reactive materials[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016.

[39] FENG B, FANG X, LI Y C, WU S Z, MAO Y M, WANG H X. Influence of processing techniques on mechanical properties and impact initiation of an Al-PTFE reactive material[J]. Central European Journal of Energetic Materials, 2016, 13(4): 989?1004.

[40] 陽世清, 徐松林, 張 彤. PTFE/Al反應(yīng)材料制備工藝及性能[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(6): 39?42. YANG Shi-qing, XU Song-lin, ZHANG Tong. Preparation and performance of PTFE/Al reactive materials[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2008, 30(6): 39?42.

[41] 徐松林. PTFE/Al含能反應(yīng)材料力學(xué)性能研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010. XU Song-lin. Study on the mechanical performance of polytetra fluore thylene/Al energetic reactive materials[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010.

[42] 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1997: 176?289. HUANG Pei-yun. Powder Metallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1997: 176?289.

[43] XIONG W, ZHANG X F, WU Y, HE Y, WANG C T, GUO L. Influence of additives on microstructures, mechanical properties and shock-induced reaction characteristics of Al/Ni composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 648: 540?549.

[44] XIONG W, ZHANG X F, TAN M T, LIU C, WU X. The energy release characteristics of shock-induced chemical reaction of Al/Ni composites[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(43): 24551?24559.

[45] 陶玉強(qiáng), 白書欣, 李 順. Ni/Al復(fù)合材料的起始反應(yīng)溫度研究[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 30(3): 73?78. TAO Yu-qiang, BAI Shu-xin, LI Shun. Research on the initial reaction temperatures of Ni/Al composites[J]. Journal of University of South China( Science and Technology), 2016, 30(3): 73?78.

[46] 張度寶, 汪 濤, 魚銀虎, 潘劍鋒, 王 衛(wèi). Ni-Al含能結(jié)構(gòu)材料沖擊釋能行為研究[J]. 稀有金屬, 2017, 41(1): 40?44.ZHANG Du-bao, WANG Tao, YU Yin-hu, PAN Jian-feng, WANG Wei. Study on impact energy release behaviors of Ni-Al energetic structural material[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2017, 41(1): 40?44.

[47] 王肖義. Fe/Al反應(yīng)材料藥型罩的制備及性能研究[D]. 北京: 北京理工大學(xué), 2016. WANG Xiao-yi. Study on preparation and performance of Fe/Al reactive material liner[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016.

[48] STAMATIS D, ZHU X, SCHOENITZ M, DREIZIN E L, REDNER P. Consolidation and mechanical properties of reactive nanocomposite powders[J]. Powder Technology, 2011, 208(3): 637?642.

[49] TRUITT R M, NIELSON D B, ASHCROFT B N, BRAITHWAITE P C, ROSE M T, CVETNIC M A. Weapons and weapon components incorporating reactive materials and related methods: US, 2009/0211484[P]. 2009?08?27.

[50] SHERIDAN E W, HUGUS G D, METZGER J G. Selectable effect warhead: US, 7845282[P]. 2010?12?07.

[51] HUGUS G D, SHERIDAN E W, BROOKS G W. Structural metallic binders for reactive fragmentation weapons: US, 8746145[P]. 2014?06?10.

[52] 劉曉俊, 任會(huì)蘭, 寧建國. Zr-W多功能含能結(jié)構(gòu)材料的制備及動(dòng)態(tài)壓縮特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2016, 33(10): 2297?2303. LIU Xiao-jun，REN Hui-lan，NING Jian-guo. Preparation and dynamic compression properties of Zr-W multifunctional energetic structural material[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(10): 2297?2303.

[53] REN H L, LIU X J, NING J G. Microstructure and mechanical properties of W-Zr reactive materials[J]. Materials Science and Engineering A, 2016, 660: 205?212.

[54] ZAHRAH T. Novel processing for high density structural reactive material[EB/OL]. http://www.virtualacquisitionshowcase. com/document/1484/briefing, 2011.

[55] ZAHRAH T F, ROWLAND R, KECSKES L. High-density metallic-glass-alloy, their composite derivatives and methods for making the same: US, 7361239[P]. 2008?04?22.

[56] 宋丹丹. Ni-Al-W活性復(fù)合材料組織與性能關(guān)系研究[D]. 北京: 北京理工大學(xué), 2015. SONG Dan-dan. Study on the relationship between microstructure and properties of Ni-Al-W active composite materials[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2015.

[57] EAKINS D E, THADHANI N N. Shock compression of reactive powder mixture[J]. International Materials Reviews, 2009, 54(4): 181?213.

[58] HORITA M, NAKAYAMA N, SAITO N, MIKI H, TAKEISHI H, MUGISHIMA H, SUZUKI T. Mechanical properties of titanium/aluminum composite material by compression shearing method at room temperature[C]// Proceeding of the 15th European Conference on Composite Materials. Venice: European Society for Composite Materials, 2012: 1?5.

[59] 王成國, 林俐菁, 劉紅麗, 王 麗, 薛克敏, 袁寶國. 基于高壓扭轉(zhuǎn)法制備SiCp/Al基復(fù)合材料[J]. 精密成形工程, 2012(6): 82?84.WANG Cheng-guo, LIN Li-jing, LIU Hong-li, WANG Li, XUE Ke-min, YUAN Bao-guo. SiCp/Al composites fabricated by high-pressure torsion[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2012(6): 82?84.

[60] BACCIOCHINI A, BOURDON-LAFLEUR S, POUPART C, RADULESCU M, JODOIN B. Ni-Al nanoscale energetic materials: Phenomena involved during the manufacturing of bulk samples by cold spray[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2014, 23(7): 1142?1148.

[61] WADDELL J T, BOOTES T H, BUDY G D, POLLY R K, SHIRE J M, LEE W. Reactive shaped charge, reactive liner, and method for target penetration using a reactive shaped charge: US, 8037829[P]. 2011?10?18.

[62] BACCIOCHINI A, RADULESCU M I, YANDOUZI M, MAINES G, LEE J J, JODOIN B. Reactive structural materials consolidated by cold spray: Al-CuO thermite[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 226: 60?67.

[63] LANGAN T, RILEY M A, BUCHTA W M. Reactive shaped charges and thermal spray methods of making same: US, 7278353[P]. 2007?10?09.

[64] 張代雄. 電泳沉積法制備新型納米鋁熱劑膜的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2015. ZHANG Dai-xiong. A study on fabrication of novel thermites film by electrophoretic deposition method[D]. Chongqing: Chongqing University, 2015.

[65] DAVE V R, COLA M J, SWANSON R E, HARTMAN D. Structurally sound reactive material: US, 8372224[P]. 2013?02?12.

[66] MOCK W Jr, HOLT W H. Reactive munition in a three-dimensionally rigid state: US, 7383775[P]. 2008?06?10.

[67] 劉 娜. 金屬W/Zr基非晶合金雙連續(xù)相復(fù)合材料的制備和性能[D]. 沈陽: 中國科學(xué)院沈陽金屬所, 2010. LIU Na. Preparation and properties of W/Zr-based metallic glass bi-continuous phase composite[D]. Shenyang: Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 2010.

[68] LI H, SUBHASH G, KECSKES L J, DOWDING R J. Mechanical behavior of tungsten preform reinforced bulk metallic glass composites[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 403(1): 134?143.

[69] YANG D, CIZEK P, HODGSON P, WEN C. Ultrafine equiaxed-grain Ti/Al composite produced by accumulative roll bonding[J]. Scripta Materialia, 2010, 62(5): 321?324.

[70] MOZAFFARI A, MANESH H D, JANGHORBAN K. Evaluation of mechanical properties and structure of multilayered Al/Ni composites produced by accumulative roll bonding (ARB) process[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 489(1): 103?109.

[71] JI C, HE Y, WANG C T, HE Y, YANG X L, PAN X C, JIAO J J, GUO L. Investigation on shock-induced reaction characteristics of an Al/Ni composite processed via accumulative roll- bonding[J]. Materials and Design, 2017, 116: 591?598.

[72] RUSSELL A M, LUND T, CHUMBLEY L S, LAABS F A, KEEHNER L L, HARRINGA J L. A high-strength, high-conductivity Al-Ti deformation processed metal metal matrix composite[J]. Composites Part A, 1999, 30(3): 239?247.

[73] B6-Sigma. Armor piercing anti-materiel bullet (under development)[EB/OL]. http://www.b6sigma.com/ uploads/ DataSheets/AMBullet%20Brochure_10.pdf, 2011.

[74] 沈 杰. 某多功能槍彈特性仿真研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013. SHEN Jie. Simulation study of a multipurpose bullet[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[75] FREDENBURG D A, JAKUS A, MCCOY T, COCHRAN J, THADHANI N. Geometry dependent reaction response of Ta+Bi2O3thermite powder filled linear cellular alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 2014, 144: 318?326.

[76] 余慶波, 王海福, 金學(xué)科, 俞為民. 緩沖材料對(duì)活性破片戰(zhàn)斗部爆炸驅(qū)動(dòng)影響分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(2): 121?126.YU Qing-bo, WANG Hai-fu, JIN Xue-ke, YU Wei-min. Influence of buffer material on explosive driven of reactive fragment warhead[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2013, 33(2): 121?126.

[77] 楊相禮. 包覆式含能破片爆炸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)完整性研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2016. YANG Xiang-li. Study on the structural integrity of case-wrapped energetic fragment driven by explosive[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2016.

Research status of preparation technology for reactive material structures

TAO Yu-qiang1, 2, BAI Shu-xin2, YANG Shi-qing2, LI Shun2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China; 2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The concept, kind, application, energetic characteristics, mechanical requirement, and the main difficulties in the application process of reactive material structures (RMS) were briefly introduced. And the research works on RMS at home and abroad were briefly summarized. The research status of common preparation technology and structural design of RMS were emphatically reviewed. The advantages and disadvantages of RMS preparation technologies were compared and analyzed. And the application range and prospect of each kind of preparation technology were pointed out by analyzing the characteristics, densification principle and strengthening mechanism of the preparation technology, combined with the reaction characteristics of RMS. Those would provide a reference for the choice of preparation technology of RMS. It is pointed out that the diversification of components, development of new materials system, research of strengthening mechanism, development of low temperature densification and controllable plastic deformation strengthening technology, development of large complex sample preparation technology, optimization of structure and combination mode are the main development tendencies of RMS and its preparation technology.

reactive structural materials; thermal reaction; preparation technology; thermite; intermetallic compound composite

(編輯 李艷紅)

Project(2014M562646) supported by China Postdoctoral Science Foundation; Project(16B221) supported by Outstanding Youth Project of Hunan Provincial Department of Education, China; Project(2016K153) supported by Applied Basic Research Program of Hengyang Science and Technology Bureau, China; Project(2015XQD09) supported by High Level Introduction of Talent Research Start-up Fund of University of South, China

2016-08-15;

2017-03-29

TAO Yu-qiang; Tel: +86-734-8282375; E-mail: 87145182@qq.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.10.15

1004-0609(2017)-10-2079-12

TJ51；TB33

A

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M562646)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(16B221)；衡陽市科技局應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016K153)；南華大學(xué)引進(jìn)高層次人才啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2015XQD09)

2016-08-15；

2017-03-29

陶玉強(qiáng)，副教授，博士；電話：0734-8282375；E-mail:87145182@qq.com