ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ НА РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ  ВОЛЬФРАМ – ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН  С ДОБАВКАМИ СВС-СМЕСЕЙ (NI+AL, TI+2B): HSJSAS

Степан Арутюнович  Серопян; Иван Владимирович  Сайков; Александр Викторович   Смирнов; Гульназ Рафиковна  Сайкова; Евгений Владимирович  Петров

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2026.02.025

Авторы

Степан Арутюнович Серопян Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН https://orcid.org/0000-0002-3714-3983
Иван Владимирович Сайков Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН https://orcid.org/0000-0003-1473-2854
Александр Викторович Смирнов Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН https://orcid.org/0009-0003-3350-4440
Гульназ Рафиковна Сайкова Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН https://orcid.org/0000-0002-6542-7123
Евгений Владимирович Петров Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН https://orcid.org/0000-0002-7070-0972

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2026.02.025

Ключевые слова:

W PTFE, nano-tungsten, reactive materials, mechanical activation, combustion, ignition

Аннотация

Исследовано влияние механической активации в шаровой мельнице на свойства реакционных материалов на основе системы вольфрам-политетрафторэтилен (W+ПТФЭ) с добавками СВС смесей (Ni+Al) и (Ti+2B). Исследованы параметры воспламенения и горения составов на основе микронного (µW) и наноразмерного (nW) порошков вольфрама. Показано, что механическая активация приводит к значительному повышению реакционной способности всех исследуемых составов. Температура воспламенения активированных составов снижается на 250–500 ºC, в то время как скорость воспламенения возрастает на порядки, достигая значений 1300–2200 ºC/с. Установлено, что механическая активация сокращает время индукции до начала самоподдерживающейся реакции, что приводит к снижению начальной температуры воспламенения образца на 280 ºC. Методами рентгенофазового анализа установлено, что механическая активация существенно влияет на фазовый состав продуктов горения. В составах 76µW+19ПТФЭ+5(Ni+Al) и 76nW+19ПТФЭ+5(Ni+Al) образуется два двойных карбида (Ni₂W₄C, Ni₁₀W₃C₃), причем их массовая доля сопоставима с долей карбидов вольфрама (W₂C, WC). В составе 76nW+19ПТФЭ+5(Ti+2B) зафиксировано образование кубического WC вместо гексагонального. Исследуемые составы демонстрируют высокую полноту синтеза (43‒45 мас. %), скорость и температуру горения, что делает их перспективными в качестве реакционных материалов. Полученные результаты подчеркивают важную роль высокоэнергетических добавок, размера частиц и способа приготовления составов в контроле путей реакции и достижения необходимых энергетических свойств материалов.

Библиографические ссылки

Zhang H. Characterization of the Dynamic Response and Constitutive Behavior of PTFE/Al/W Reactive Materials // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2020. Т. 45, С. 788–797. Doi: 10.1002/prep.201900334.

A Study on the Mechanical Properties and Impact-Induced Initiation Characteristics of Brittle PTFE/Al/W Reactive Materials / C. Ge [и др.] // Materials. 2017. Т. 10, С. 452. Doi: 10.3390/ma10050452.

The Effect of Crystallinity on Compressive Properties of Al-PTFE / B. Feng [и др.] // Polymers. 2016. Т. 8, С. 356. Doi: 10.3390/polym8100356.

Sensitivity of Al-PTFE upon Low-Speed Impact / B. Feng [и др.] // Journal of Materials Design. 2016. Т. 108, С. 411–417. Doi: 10.1016/j.matdes.2016.06.125.

Committee on Advanced Energetic Materials and Manufacturing Technologies, National Research Council. Advanced Energetic Materials, National Academies Press: Washington, 2004, p. 1–23.

Highly Reactive Metastable Intermixed Composites (MICs): Preparation and Characterization / W. He [и др.] // Advanced Materials. 2018. Т. 30, С. 1706293. Doi: 10.1002/adma.201706293.

Study on the Impact-Induced Energy Release Characteristics of Zr68.5Cu12Ni12Al7.5 Amorphous Alloy / J. Tu [и др.] // Materials. 2021. Т. 14, С. 1447. Doi: 10.3390/ ma14061447.

Nanoenergetics as Pressure Generator for Non-toxic Impact Primers: Comparison of Al/Bi2O3, Al/CuO, Al/MoO3 Nanothermites and Al/PTFE / L. Glavier [и др.] // Combustion and Flame. 2021. Т. 162, С. 1813–1820. Doi: 10.3390/ ma14061447.

Investigation on Mechanical Properties and Reaction Characteristics of Al-PTFE Composites with Different Al Particle Size / J.X. Wu [и др.] // Advances in Materials Science and Engineering. 2018. Т. 2018, С. 1–10. Doi: 10.1155/2018/2767563.

Mock W.Jr. Impact Initiation of Rods of Pressed Polytetrafluoroethylene (PTFE) and Aluminum Powders // AIP Conference Proceedings. 2006. Т. 845, С. 1097–1100. Doi: 10.1063/1.2263514.

Guo J. Reaction Behavior of Polytetrafluoro-ethylene/Al Granular Composites Subjected to Planar Shock Wave // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2017. Т. 42, С. 300–307. Doi: 10.1002/prep.201600115.

Hastings D.L. Reactive Structural Materials: Pre¬paration and Characterization // Advanced Engineer-ing Materials. 2017. Т. 1, С. 1700631. Doi: 10.1002/adem.201700631.

Modified model of Al/PTFE projectile impact reaction energy release considering energy loss / C. Chen [и др.] // Experimental Thermal and Fluid Science. 2020. Т. 116, С. 110132. Doi: 10.1016/j.expthermflusci.2020.110132.

Compressive Mechanical Properties and Shock-Induced Reaction Behavior of Zr/PTFE and Ti/PTFE Reactive Materials / Z. Zhang [и др.] // Materials. 2022. Т. 15, С. 6524. Doi: 10.3390/ma15196524.

Influence of composition and microstructure on the properties of PTFE/Mg reactive materials / Z. Wu [и др.] // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Т. 1965, С. 12104. Doi: 10.1088/1742-6596/1965/1/012104.

Fabrication and characterization of the Ni–Al energetic structural material with high energy density and mechanical properties / Q. Zhou [и др.] //Journal of Alloys and Compounds. 2020. Т. 832, С. 154894, Doi: 10.1016/ j.jallcom.2020.154894.

Investigation on reaction energy, mechanical behavior and impact insensitivity of W–PTFE–Al com-posites with different W percentage / L. Wang [и др.]. // Materials & Design. 2016. Т. 92, С. 397–404. Doi: 10.1016/j.matdes. 2015.12.045.

Tao J. The effect of PTFE on the physical compatibility and mechanical performance of Al-MoO3 mechanically activated energetic composites // Journal of Dispersion Science and Technology. 2019. Т. 42, С. 653–663. Doi: 10.1080/ 01932691.2019.1704774.

Sintering Reaction and Pyrolysis Process Analysis of Al/Ta/PTFE / J. Zhang [и др.] // Polymers. 2019. Т. 11, С. 1469. Doi: 10.3390/polym11091469.

Investigation on the Thermal Behavior, Me-chanical Properties and Reaction Characteristics of Al-PTFE Composites Enhanced by Ni Particle / J. Wu [и др.] // Materials. 2018. Т. 11, С. 1741. Doi: 10.3390/ma11091741.

Quasi-static and dynamic response of explo-sively consolidated metal–aluminum powder mixtures / C.T. Wei [и др.] // Acta Materialia. 2012. Т. 60, С. 1418–1432. Doi: 10.1016/j.actamat.2011.10.027.

Compressive Properties of PTFE/Al/Ni Com-posite Under Uniaxial Loading / H.X. Wang [и др.] // Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Т. 26, С. 2331–2336. Doi:10.1007/s11665-017-2666-y.

Effects of Al and W Particle Size on Combus-tion Characteristics and Dynamic Response of W-PTFE-Al Composites / X. Zhang [и др.] // Rare Metal Materials and Engineering. 2018. Т. 47, С. 1723–1728. Doi: 10.1016/s1875-5372(18)30156-5.

Shock-wave treatment of tung-sten/fluoropolymer powder compositions / M.I. Alymov [и др.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Т. 8, С. 340–343. Doi: 10.1134/S2075113317020022.

Vadchenko S.G., Ignition of Some Powder Mixtures of Metals with Teflon // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Т. 9, С. 517–522. Doi: 10.1134/ S2075113318030309.

Energetic Materials Based on W/PTFE/Al: Thermal and Shock-Wave Initiation of Exothermic Reac-tions / I.V. Saikov [и др.] // Metals, 2021. Т. 11, С. 1355. Doi: 10.3390/met11091355.

Effect of multi-metal-hydrides on mechanical response and impact damage characteristics of PTFE/Al/XH2 reactive material / J. Wu [и др.] // Journal of Energetic Materials. 2023. Т. 41, С. 171–191. Doi: 10.1080/ 07370652.2021.1942330.

Impact Energy Release Characteristics of PTFE/Al/CuO Reactive Materials Measured by a New Energy Release Testing Device / L. Ding [и др.] // Poly-mers. 2019. Т. 11, С. 149. Doi: 10.3390/polym11010149.

Rogachev A.S. Mechanical activation of heter-ogeneous exothermic reactions in powder mixtures // Russian Chemical Reviews. 2019. Т. 88, С. 875–900. Doi: 10.1070/ RCR4884.

Kochetov N.A. Effects of Magnesium on Initial Temperature and Mechanical Activation on Combustion Synthesis in Ti–Al–Mg System // Materials Chemistry and Physics. 2021. Т. 257, С. 123727. Doi: 10.1016/ j.matchemphys.2020.123727.

Gaurav M. Effect of mechanical activation of high specific surface area aluminium with PTFE on composite solid propellant // Combustion and Flame. 2016. Т. 166, С. 203–215. Doi: 10.1016/j.combustflame.2016.01.019.

Shiryaev A.A. Thermodynamics of SHS pro-cesses: advanced approach // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1995. Т. 4, С. 351–362.

Reactive Ni–Al–Based Materials: Strength and Combustion Behavior / S.A. Seropyan [и др.] // Metals. 2021. Т. 11, С. 949. Doi: 10.3390/met11060949.

Investigation of SHS Process in W–TI–C Sys-tem for Production of Tungsten Carbides WC and W2C. Application of Carbides Mixture for Cast Iron Modifica-tion / V.A. Poluboyarov [и др.] // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014. Т. 7, С. 579–586.

Suetin D.V. Structural, electronic properties and stability of tungstenmono- and semi- carbides: a first principles investigation // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2009. Т. 70, С. 64–71. Doi: 10.1016/j.jpcs.2008.09.004