The propagation behavior of reaction wave for Ni/Al clad particle composites under shock loading

冲击波 材料科学 化学计量学 反应速率 溶解 摩尔分数 波传播 热力学 复合材料 化学 物理化学 催化作用 物理 生物化学 量子力学
作者
Yifan Xie,Jian-Li Shao,Pengwan Chen
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (16)
标识
DOI:10.1063/5.0202099
摘要

Prior studies indicate that the reaction wave can propagate from the impact surface, but the possibility and the influencing factors of the reaction wave formation are still unclear. This work investigates the propagation behavior of the shock-induced reaction wave for Ni/Al clad particle composites with varying stoichiometry (from 0.5 to 0.75 of the Ni mole fraction) through molecular dynamics simulations. It is found that the solid-state reaction processes with or without wave propagation strongly depend on the conjunction of stoichiometry and shock intensity. Within the cases of wave propagation, the calculated propagation velocity (in the range of 135–170 m/s) increases linearly or exponentially with the Ni mole fraction. Furthermore, the thermodynamic criteria for the reaction wave formation, including Al melting at the collision surface and higher temperature gradient, are established by analysis of the shock-induced high-entropy layer. In addition, microstructural characterization reveals the intrinsic mechanisms of the propagation of the reaction wave and the formation of additional reaction wave, namely, the dissolution of Ni into Al and the coalescence of reaction zones. Apart from the propagation behavior, the initial stoichiometry influences the crystallization–dissolution of B2–NiAl during reaction processes, notably through an exponential growth relationship between maximum crystallinity and the Ni mole fraction. These findings may provide a physical basis for improving traditional reaction rate models to break through phenomenological understanding.
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