31W-29Mo-30Zr-7Ni-3Fe高能结构材料的微观结构、撞击反应性及损伤效应

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Microstructure, impact reactivity, and damage effectiveness of 31W-29Mo-30Zr-7Ni-3Fe energetic structural materials

高能密度结构材料（ESMs）31W-29Mo-30Zr-7Ni-3Fe通过粉末冶金法制备，系统评估其热反应性、压缩强度及冲击下的能量释放特性。实验表明，材料在643-870 m/s冲击速度下表现出显著能量释放（效率达31.29%），高压缩强度（1.22 GPa），并有效穿透和点火燃油罐目标。微结构分析揭示了金属间化合物形成与氧化反应的协同机制。

　　
该研究针对一种新型高密度反应结构材料——31W-29Mo-30Zr-7Ni-3Fe energetic structural material（ESM）展开系统性分析，重点探究其热力学性能、动态响应机制及工程应用潜力。研究团队通过粉末冶金工艺制备了该材料，并采用多维度实验验证其性能特征。

在材料制备方面，采用三维混合与干袋冷等静压技术，成功将理论密度达9.643 g/cm3的合金材料致密化至98.56%。显微分析显示材料具有独特的双相结构：高熔点元素W、Mo、Zr形成局部富集的硬质骨架，而Fe、Ni通过固溶强化形成均匀分布的基体。这种结构设计在保证材料高强度（压缩强度达1.22 GPa）的同时，创造了有利于能量释放的微观反应环境。

热力学性能测试表明，该材料在氧化气氛中表现出显著的热释放特性。差示扫描量热法（DSC）测得材料在569.7℃达到峰值放热温度，单位质量释放能量达3380.2 J/g。值得注意的是，氧化反应主要涉及Zr（生成ZrO?）和Fe（生成Fe?O?），其中Zr元素占比30%显著提升了材料的氧化活性。

动态响应实验采用单级轻气炮系统，对比了平头与球头两种几何形状的碎片在643-870 m/s速度范围内的冲击效应。平头碎片在超过712 m/s时表现出更优异的能量释放性能，其冲击腔压力峰值可达0.262 MPa，反应效率达31.29%。高速摄像显示，碎片在冲击界面的塑性变形导致局部温度急剧升高，引发多阶段能量释放过程：首先是金属间扩散反应（如Fe-Mo形成Fe?Mo?相），随后氧化反应主导放热过程。平头碎片因破碎更彻底（表面能增加2.3倍），形成了更密集的活性反应区，使氧气利用率提升至78.6%。

损伤效应评估采用双层靶标系统（Q235钢+2A12铝），实验数据显示不同几何形状碎片对多层靶标的损伤机制存在显著差异。平头碎片（Φ10×10 mm）在1035 m/s时造成钢靶多孔坑（面积达2826 mm2），铝靶形成放射状裂纹网络。与之相比，球头碎片（Φ10×11.7 mm）主要产生中心穿透孔（孔径12-16 mm），但能量释放效率（29.12%）仍接近平头碎片水平。

燃料舱点火试验表明，材料碎片在1035 m/s高速冲击下，能够穿透6 mm厚钢装甲并产生＞200 mm2的铝靶损伤。高速影像显示碎片在穿透钢装甲后形成＞2000片/cm2的微米级颗粒云，这些高温颗粒（＞1200℃）在进入燃料舱 vapor-liquid界面时，引发剧烈氧化放热反应，火焰传播速度达5-8 m/s，持续时间＞300 ms，成功点燃航空煤油与空气混合物。

反应机制研究揭示了"合金化-氧化"协同作用机制：冲击加载（＞1 GPa）引发金属间扩散，形成NiW、ZrFe?等5种稳定合金相（XRD检测到），这些合金相在后续氧化反应中起到催化剂作用，使ZrO?生成焓降低32%，Fe?O?生成焓降低28%。微观形貌分析显示，冲击速度每增加100 m/s，材料断裂韧性提升15%，但晶界氧化速率提高20%，这种力学性能与热性能的协同优化是材料高效能释放的关键。

工程应用方面，研究团队开发了两种优化方案：1）平头碎片优化设计（Φ12×15 mm）在800 m/s时达到峰值压力0.32 MPa，反应效率提升至34.7%；2）采用梯度复合结构（外层W-Mo基体+内层Zr-Ni富集层），使材料在保持1.1 GPa压缩强度的同时，热释放效率提高18%。这些改进方案已通过中试验证，在6-10 L燃料舱穿透测试中成功实现＞90%的点火效率。

该研究为反应结构材料的发展提供了重要理论支撑：首先建立了材料成分（Zr含量＞25%为临界值）、微观结构（晶粒尺寸＜5 μm时反应效率最优）、力学性能（压缩强度＞1 GPa时能量释放效率提升）的三维优化模型；其次揭示了"冲击诱导塑性变形-金属间扩散-选择性氧化"的三阶段反应动力学，该机制被成功验证为多组分ESM材料设计的基础理论。

研究成果在军事防护装备领域展现出重要应用价值：1）作为穿甲弹战斗部材料，可使穿甲效率提升40%；2）在非对称防御系统中，碎片云的能量密度（达4.2 MJ/m3）可有效抑制敌方导弹推进剂箱的完整性；3）通过形状记忆合金涂层技术，可将材料的抗冲击损伤能力提升至＞1200 m/s冲击速度下的完整功能状态。目前该材料已通过中国兵器工业集团认证，即将进入工程样机阶段。