Ni/Al纳米粉末混合物冲击合金化机理研究

The research and development of a new generation of energetic material is very important to the design of modern weapon of high performance. The Ni/Al nanopowder mixture, with high energy density, can release huge energy rapidly when it is induced to form alloy by shock loading, and is regarded as a potential candidate of new energetic material. Understanding the plastic deformation of powders, alloying reaction and the relation between both during shock-induced alloying process is important for the application of energetic metallic materials. The shock wave induced alloying behavior has been investigated widely, but the alloying mechanism is still unclear. Affect by the ultra-high temperature and pressure and ultra-fast reaction in shock-induced alloying process, it is difficult to understand the alloying mechanism completely from experimental studies. In the present proposal, the atomistic simulation is used to investigate shock-induced alloying process. The modified analytic embedded atom method (MAEAM) potential functions are constructured, which is suitable to describe interatomic interaction between Ni-Ni, Al-Al and Ni-Al under the condition of high pressure. The non-equilibrium molecular dynamics associated with large scale parallel computing technique is used to simulate the shock wave induced alloying process in Ni/Al nanopowder mixtures. The effect of shock wave velocity, size of powder and porosity on the plastic deformation of powders, alloying reaction extent and reaction product is analyzed on the basis of the analysis of local featured plasticity and alloy fraction, and the shock-induced alloying mechanism is discussed. The accomplishment of the project is of significance to guide the design and development of new type of energetic material and alloy.

新型含能材料的研究开发是设计高性能现代武器的关键。Ni/Al纳米粉末混合物贮能密度大，在高压冲击诱导合金化过程中可瞬间释放巨大能量，是含能金属材料研究开发的重点对象。冲击合金化过程中颗粒塑性形变、合金化反应及两者间的相互影响等问题的解决是推进金属含能材料实用化进程的关键。由于冲击波与材料的相互作用时间极短，且体系处于高压、高温极端状态，仅采用实验方法难以揭示冲击合金化过程中颗粒塑性形变与合金反应的微观机理。本课题拟构建适用于高压环境的分析型嵌入原子势函数，利用非平衡分子动力学方法结合大规模并行计算技术研究典型Ni/Al混合物模型在冲击波作用下的合金化过程，基于局域特征塑性和合金比例分数两个量化指标的计算与分析，探讨冲击强度、颗粒尺寸和颗粒间孔隙对颗粒塑性形变、合金化反应产物与反应程度的影响规律，揭示冲击波诱导合金化反应的微观机理，为新型含能材料的设计和高压冲击条件下的合金制备提供理论依据。

新型含能材料的研究开发是设计高性能现代武器的关键。Ni/Al纳米粉末混合物贮能密度大，在高压冲击诱导合金化过程中可瞬间释放巨大能量，是含能金属材料研究开发的重点对象。冲击合金化过程中颗粒塑性形变、合金化反应及两者间的相互影响等问题的解决是推进金属含能材料实用化进程的关键。由于冲击波与材料的相互作用时间极短，且体系处于高压、高温极端状态，仅采用实验方法难以揭示冲击合金化过程中颗粒塑性形变与合金反应的微观机理。本课题利用非平衡分子动力学方法结合大规模并行计算技术研究典型Ni/Al混合物模型在冲击波作用下的合金化过程，模拟结果表明，冲击诱导化学反应发生于非平衡过程中，原子的快速混合伴随着温度的急剧上升，冲击波前沿优先变形的Al颗粒形成高速射流并撞击Ni颗粒，促进Ni和Al原子的快速混合和反应。冲击波阵面附近出现的粒子速度分散对引发冲击诱导化学反应具有重要作用，位错主要在颗粒变形开始时或在冲击前沿附近产生，并不直接影响冲击诱导化学反应的发生。冲击后熔融Al和非晶Ni的紧密接触对随后的Ni和Al原子的迅速混合和反应非常关键，冲击诱导化学反应机制涉及到冲击阵面附近的机械化学过程和随后冲击区的相互扩散过程。颗粒配位数和体系密度显著影响含能粉末材料的形变和反应，对于不同颗粒尺寸的试样，冲击压缩响应在定性上并没有太大的差异，但较小颗粒的构型更容易发生塑性变形和化学反应。提出了一个描述动态加载下超快速混合和反应行为的反应动力学模型，该模型可合理评估机械化学效应的影响程度以及后续相互扩散的快慢。相较于含一定孔隙率的颗粒混合物，近完全致密体系具有更好的强度以及较低的反应敏感性，在高冲击速度下，冲击区出现的非均匀速度场加速原子间的混合和反应。项目从原子尺度研究了冲击强度、颗粒尺寸和颗粒间孔隙对颗粒塑性形变、合金化反应的影响规律，揭示了冲击波诱导合金化反应的微观机理，为新型含能材料的设计和高压冲击条件下的合金制备提供理论依据。