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W-Mo-Ti体系梯度飞片材料的制备及其准等熵压缩特性

作　者: 沈强
导　师: 张联盟
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: W-Mo-Ti 波阻抗梯度飞片准等熵压缩烧结致密化数值模拟
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

波阻抗梯度飞片作为一类新型的功能梯度材料，因其对靶具有准等熵压缩特性，可以看作是梯度材料在动高压物理研究领域中的功能拓展。论文采用粉末冶金方法，详细研究了W-Mo-Ti体系梯度飞片材料中各组元的烧结致密化机理与控制方法，以精细控制不同配比的混合粉末的铺填方式与铺填结构来减小梯度飞片材料内部波阻抗值的跃变幅度，成功制备出波阻抗按指定分布特征沿厚度方向准连续变化的、波阻抗面平行度高并且整体致密的W-Mo-Ti体系梯度飞片。研究表明，W-Ni-Fe-Cu合金的液相烧结致密化经历了颗粒重排、溶解-析出和固相烧结等三个阶段，Cu仅在颗粒重排阶段起主导作用；Fe主要在溶解-析出阶段通过形成Ni-Fe-W三元粘结相来促进W合金的烧结致密；Ni不仅参与形成Ni-Fe-W三元粘结相，并且在W晶界上通过与W的互扩散促进了固相W晶粒的粘合。不同组成配比的W-Mo合金中的W晶粒与Mo晶粒主要以机械混合的方式交错分布，通过形成的粘结相紧密粘结。设计的Fe-Al添加剂对Mo和Ti的烧结致密化均有明显的效果，不同组成配比的Mo-Ti合金则通过形成部分(β-Ti，Mo)固溶体宋实现烧结致密化。依据W-Mo-Ti体系的复合模式，确定采用理想混合物模型进行相关性能的理论预测。通过理论推导，分别建立起了相关性能参数与复合体系组成分布之间的数学表达式。基于实测数据的理论预测值与实测数据符合较好，能够比较准确地反映出W-Mo-Ti体系相关性能的变化趋势。建立起了梯度飞片击靶的理论模型，对W-Mo-Ti体系击靶过程进行了数值模拟计算。结果表明梯度飞片击靶产生的压缩过程一系列小的冲击波相继发生作用叠加的结果。波阻抗按高幂次函数(幂次在二次至三次之间)分布的梯度飞片能够获得波形较好的准等熵压缩波，并且靶板的厚度不宜太小也不宜太大。在二级轻气炮上进行了W-Mo-Ti体系梯度飞片材料准等熵压缩特性的实验研究，利用梯度飞片成功实现了对93W合金的准等熵压缩。VISAR测试得到的是波阵面上升前沿被明显展宽的准等熵压缩波，最高的击靶压力达到了260GPa。结合数值模拟结果和实验结果分析，阐明了波阻抗梯度飞片实现准等熵压缩的物理过程。梯度飞片撞击靶板获得的P-V线是一组通过靶材料不同起始状态点的Hugoniot线的连线，这条连线可以近似看作是由小段小段等熵线连接而成的“准等熵线”。它介于冲击Hugoniot线和等熵线之间，并更接近于等熵线。

全文目录

第1章绪论  10-18
  1．1 梯度功能材料  10-11
  1．2 准等熵压缩技术与波阻抗梯度飞片材料  11-14
  1．3 梯度飞片的制备研究进展  14-16
  1．4 本文的研究目的  16
  1．5 本文的研究体系与研究内容  16-18
第2章 W-Mo-Ti体系复合材料的烧结致密化研究  18-43
  2．1 引言  18
  2．2 实验与测试  18-20
    2．2．1 实验原料  18-19
    2．2．2 试样制备  19-20
    2．2．3 测试  20
  2．3 结果与讨论  20-42
    2．3．1 Cu对W-Ni和W-Fe合金烧结致密化的影响  20-24
    2．3．2 W合金的低温烧结致密化  24-33
      2．3．2．1 W-Ni-Fe合金的烧结  24-25
      2．3．2．2 Cu对W-Ni-Fe合金烧结致密化的影响  25-28
      2．3．2．3 W-Ni-Fe-Cu合金烧结致密化机理  28-33
      2．3．2．4 W-Ni-Fe-Cu合金的断裂特征分析  33
    2．3．3 W-Mo合金的烧结与显微结构特征  33-36
    2．3．4 Mo-Fe-Al合金的烧结致密化  36-38
    2．3．5 Ti-Fe-Al合金的烧结致密化  38-40
    2．3．6 Mo-Ti合金的烧结与显微结构特征  40-42
  2．4 小结  42-43
第3章 W-Mo-Ti体系复合材料相关性能与组成之间的关系  43-58
  3．1 引言  43
  3．2 实验与测试  43-46
    3．2．1 实验设计  43-44
    3．2．2 试样制备  44-45
    3．2．3 测试  45-46
  3．3 结果与讨论  46-57
    3．3．1 密度与体系组成之间的关系  46-47
    3．3．2 体积声速与体系组成之间的关系  47-50
    3．3．3 波阻抗与体系组成之间的关系  50-52
    3．3．4 定容比热与体系组成之间的关系  52-53
    3．3．5 Gruneisen常数与体系组成之间的关系  53-55
    3．3．6 Hugoniot拟合系数与组成之间的关系  55-57
  3．4 小结  57-58
第4章 W-Mo-Ti体系梯度飞片材料击靶过程的数值模拟研究  58-83
  4．1 引言  58
  4．2 冲击波与冲击压缩的基础理论  58-64
    4．2．1 冲击波与冲击压缩  58-60
    4．2．2 冲击绝热线与等熵线  60-61
    4．2．3 冲击波在介质中的传播  61-64
  4．3 数值模拟的计算方法与模型  64-70
    4．3．1 等熵线的计算方法  64-65
    4．3．2 熵增的计算方法  65-66
    4．3．3 数值模拟计算的基本方程  66-67
    4．3．4 数值模拟计算的差分格式  67-69
    4．3．5 计算模型  69-70
  4．4 结果与讨论  70-82
    4．4．1 梯度飞片的击靶形式  70-72
    4．4．2 梯度飞片的波阻抗分布特征对击靶波形的影响  72-76
    4．4．3 靶板厚度对击靶波形的影响  76-79
    4．4．4 击靶速度对击靶波形的影响  79-82
  4．5 小结  82-83
第5章 W-Mo-Ti体系梯度飞片材料准等熵压缩特性的实验研究  83-97
  5．1 引言  83
  5．2 梯度飞片材料的制备  83-85
    5．2．1 试样制备  83
    5．2．2 梯度飞片的结构特征  83-85
  5．3 击靶实验与测试方法  85-88
    5．3．1 梯度飞片的发射装置  85
    5．3．2 击靶实验  85-86
    5．3．3 击靶波形的测试方法  86-88
  5．4 结果与讨论  88-96
    5．4．1 测试波形的修正  88-90
    5．4．2 实验击靶波形与计算波形的比较  90-91
    5．4．3 梯度飞片的波阻抗分布特征对实验击靶波形的影响  91-92
    5．4．4 速度波形与压力波形之间的转换  92-94
    5．4．5 利用梯度飞片材料实现准等熵压缩的物理过程分析  94-96
  5．5 小结  96-97
第6章结论  97-99
参考文献  99-105
作者在攻读博士学位期间发表的学术论文目录  105-108
致谢  108

W-Mo-Ti体系梯度飞片材料的制备及其准等熵压缩特性

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