微氣孔球形藥的定容燃燒性能

藺向陽，王 亞，劉玉軍，殷繼剛，潘仁明

（1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京210094；2.中國爆破器材行業(yè)協(xié)會，北京100089；3.五洲工程設計研究院，北京100053）

引 言

多孔型含能材料燃燒與密實型含能材料燃燒的最大區(qū)別是對流燃燒模式。多孔型含能材料燃燒時氣相化學反應區(qū)產(chǎn)生的熱量主要通過對流傳熱方式傳遞至更內(nèi)層，其本質(zhì)是火焰向孔隙內(nèi)部的滲透以及燃氣預熱了燃燒表面之前的材料［1］。近年來，國內(nèi)外對多孔含能材料開展了研究。Fischer［2-4］等研究了以聚氨酯為黏合劑的發(fā)泡推進劑，通過載荷沖擊、子彈射擊及鋼管試驗對其感度進行了測試，推進劑表現(xiàn)出燃燒或爆燃特性。中止燃燒試驗表明，燃燒反應區(qū)的滲透深度可以達到100μm。B?hnlein-MauβJ［5］等以高能炸藥及含能聚合物作為主體材料，采用RIM（反應模注工藝）方法制備了發(fā)泡推進劑。Telengator 及Margolis等對受約束的多孔推進劑燃燒特性開展了研究［6-12］。Kagan［13-14］等研究發(fā)現(xiàn)多孔型含能材料的燃燒特性對壓力很敏感，當壓力差超過特定的臨界值，燃燒方式將從傳導型傳熱燃燒向?qū)α餍蛡鳠岬谋茧A段轉(zhuǎn)變，爆燃火焰前沿的預熱區(qū)可導致局部自點火。王伯羲［15］研究了微孔推進劑穩(wěn)態(tài)對流燃燒的物理和數(shù)學模型，將對流燃速與微孔參數(shù)相關聯(lián)，可以預估微孔參數(shù)、基礎質(zhì)量燃速和燃燒室壓力等對爆燃特性的影響。Xu F［16］采用有限元方法對多孔推進劑進行了數(shù)值模擬研究。Jutta［17］等研究了采用化學發(fā)泡方法制備的以RDX、GAP及PU 為主體成分的泡沫型含能材料的燃燒特性。本文作者對單基微氣孔球形藥的常壓燃燒特性開展了研究［18］，結果表明，其表觀燃速遠高于常規(guī)的不含孔的藥粒。

本研究通過密閉爆發(fā)器實驗，對以硝化棉為主體成分的微氣孔球形藥定容燃燒性能進行研究，旨在揭示其內(nèi)部孔結構與燃燒特性之間的規(guī)律。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

選擇典型的單基藥為原料，采用微膠囊法成球工藝制備不同粒度和堆積密度的微氣孔球形藥。首先將物料溶解、微膠囊化處理、成球及溶劑驅(qū)除；得到的微氣孔球形藥在60℃烘干至恒重，經(jīng)過篩分選取不同的粒度進行測試。樣品的堆積密度（ρD）為0.15～0.9g／cm3。將不同堆積密度的樣品進行切片，對切面進行掃描電鏡測試，內(nèi)部孔結構如圖1所示。

圖1 不同堆積密度微氣孔球形藥的孔結構Fig.1 Partially open-cell structures of micropore ball powder with different bulking density

從圖1可以看出，隨著堆積密度的提高，孔隙率下降，但孔的結構和孔徑范圍沒有顯著變化。另外，堆積密度低的樣品，內(nèi)部的孔隙相互貫通形成開孔結構，這種結構導致其燃燒特性與密實火藥存在較大的差別。

1.2 定容燃燒試驗

采用50mL密閉爆發(fā)器進行定容燃燒試驗，以0.5g氮質(zhì)量分數(shù)為12.6%的D 級硝化棉作點火藥，點火壓力為10MPa，用瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)記錄壓力-時間曲線。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，當裝填密度為0.12g／cm3，樣品的堆積密度降到0.56g／cm3時，壓力曲線出現(xiàn)明顯波動，因此堆積密度小于0.56g／cm3時，可將裝填密度下調(diào)為0.04g／cm3。

2 結果與討論

2.1 不同堆積密度樣品的壓力曲線

在不同裝填密度下測量不同堆積密度的微氣孔球形藥樣品的p-t曲線及dp／dt-p曲線見圖2。

圖2 不同裝填密度時樣品的p-t及dp／dt-p 曲線Fig.2 The p-t and dp／dt-pcurves of micropore ball powder with different loading density

由圖2可知，在相同裝填密度條件下，堆積密度不同的樣品，其p-t曲線及dp／dt-p曲線差異較大。堆積密度較低的樣品，其內(nèi)部孔隙率較大，起始燃燒面積和燃氣生成速率也較大，dp／dt-p曲線的上升速率和高度明顯大于堆積密度較高的樣品，并且堆積密度越低，孔隙率越大，燃氣生成速率越大。當裝填密度為0.12g／cm3，堆積密度降至0.56g／cm3時，壓力曲線出現(xiàn)波動現(xiàn)象；裝填密度繼續(xù)降低時，壓力波消失。當測試樣品的裝填密度為0.04g／cm3，堆積密度降至0.22g／cm3時再次出現(xiàn)明顯的壓力曲線波動現(xiàn)象。將壓力數(shù)據(jù)的采集頻率從100kHz逐步提高到2 000kHz，壓力曲線的波動現(xiàn)象沒有明顯改變，壓力曲線的波動現(xiàn)象可能是由于傳感器響應速度不夠高。

由壓力-時間曲線及樣品的形狀尺寸等參數(shù)，可推算出不同堆積密度樣品的表觀線性燃速系數(shù)，得到樣品的孔隙率（Ф）與表觀線性燃速系數(shù)的關系曲線，如圖3所示。

圖3 樣品孔隙率與表觀線性燃速系數(shù)的關系曲線Fig.3 Relation curves of the sample porosity and burning rate coefficient

對圖3的關系曲線進行擬合，得到孔隙率與表觀線性燃速系數(shù)之間的表達式為：

由該式可以看出，隨著孔隙率的提高，表觀線性燃速系數(shù)呈指數(shù)式加速上升。

2.2 平均粒徑對壓力曲線的影響

將堆積密度為0.53g／cm3、不同粒徑的樣品進行定容燃燒試驗，裝填密度為0.04g／cm3時，壓力-時間曲線如圖4所示。

由圖4可知，相同堆積密度的樣品，隨著平均粒徑（）的減小，壓力上升速度明顯加快，即燃氣生成速率就越快，這主要是由于起始燃燒表面積增加造成的。對幾條p-t曲線進行擬合，推算出不同粒度樣品的表觀線性燃速系數(shù)基本相同。

2.3 不同堆積密度樣品的動態(tài)活性曲線

由定容燃燒實驗測得壓力-時間曲線，經(jīng)過推算得到不同堆積密度樣品的動態(tài)活性曲線如圖5所示。

圖4 不同粒徑微氣孔球形藥的p-t曲線Fig.4 The p-t curves of micropore ball powder with different particle size

圖5 不同堆積密度樣品的動態(tài)活性曲線Fig.5 Dynamic vivacity curves of micropore ball powder with different bulking density

由圖5中可以看出，隨著樣品堆積密度的降低，動態(tài)活性曲線的峰值逐步提高，并表現(xiàn)出顯著的燃燒漸增特性，而普通不具有孔結構的球形藥沒有燃燒漸增性。動態(tài)活性曲線上升段的位置存在較大差異，這可能是由于樣品粒度分布和外形等方面的差別造成的。

3 結 論

（1）在相同的裝填密度條件下，樣品的堆積密度越小，內(nèi)部孔隙率越大，p-t曲線上升速率越快，樣品的表觀燃速系數(shù)與孔隙率呈指數(shù)關系。

（2）在堆積密度相同的條件下，樣品平均粒徑越小，壓力上升速率越快，燃氣生成速率越快。

（3）隨著樣品堆積密度的降低，動態(tài)活性曲線的峰值逐步提高，并表現(xiàn)出顯著的燃燒漸增特性。

［1］Asay B W，Son S F，Bdzil J B.The role of gas permeation in convective burning［J］.Int J Multiphase Flow，1996，23（5）：923-952.

［2］Fischer T S，Messmer A.Burning characteristics of foamed polymer bonded propellants［C］／／19th International Symposium on Ballistics.Interlaken：［s.n.］，2001：107-114.

［3］B?hnlein-MauβJ，Eberhardt A，F(xiàn)ischer T S.Foamed propellants［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2002，27：156-160.

［4］Messmer A，Pfatteicher A，Schmid K，Kuglstatter W.Foamed propellants with energetic binders［C］／／Proceedings of the 31st International Annual Conference of ICT.Karlsruhe：ICT，2000：111／1-13.

［5］B?hnlein-MauβJ，Kr?ber H.Technology of foamed propellants［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2009，34：239-244.

［6］Telengator A M，Margolis S B，Williams F A.Influence of distributed solid-phase reactions on deflagrations in confined porous propellants［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30：2087-2095.

［7］Margolis S B，Telengator A M，Williams F A.Influence of subsurface gaseous combustion on the burning of confined porous energetic materials［J］.Combustion Science and Technology，2003，175：421-452.

［8］Margolis S B，Telengator A M，Williams F A.Intrusive-limit deflagrations in confined porous energetic materials［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2002，29：2913-2922.

［9］Margolis S B，Baer M R.A singular-perturbation analysis of the burning-rate eigenvalue for a two-temperature model of deflagrations in confined porous energetic materials［J］.SIAM J Appl Math，2001，62（2）：627-663.

［10］Telengator A M，Margolis S B，Williams F A.Stability of quasi-steady deflagrations in confined porous energetic materials［J］.Combustion Science and Technology，2000，160：259-316.

［11］Margolis S B.Influence of pressure-driven gas permeation on the quasi-steady burning of porous energetic materials［J］.Combust Theory Model，1998，2：95-113.

［12］Telengator A M，Margolis S B，Williams F A.Two-temperature effects on the multiphase burning of confined porous propellants［C］／／44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.New York：AIAA，2006.

［13］Kagan L，Sivashinsky G.An elementary model for the transition from conductive to penetrative burning in gas-permeable explosives［J］.Combustion Flame，2009，156（2）：531-538.

［14］Kagan L，Sivashinsky G.A high-porosity limit for the transition from conductive to convective burning in gaspermeable explosives［J］.Combustion Flame，2010，157（2）：357-362.

［15］Wang B X.A model of steady-state convective combustion of micropore propellants［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，1998，7（1）：107-112.

［16］Xu F，Sofronis P，Aravas N，Namazifard A，F(xiàn)iedler R.Finite element modeling of porous solid propellants［C］／／41st AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.New York：AIAA，2005.

［17］Jutta B?hnlein-Mauβ，Angelika Eberhardt，and Thomas S.Fischer.Foamed Propellants［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2002，27：156-160.

［18］藺向陽，程向前，潘仁明，等.微氣孔球形藥常壓燃燒特征［J］.火炸藥學報，2005，28（4）：68-71.

LIN Xiang-yang，CHENG Xiang-qian，PAN Ren-ming，et al.Combustion property of oblate propellant with micropore in air［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2005，28（4）：68-71.