活性材料能量輸出特性及測試方法

鄧 騰，陳 放，任 楊，李玉超

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 10081；2.中國兵器科學(xué)研究院， 北京 100089； 3.山東第二機(jī)械有限公司，山東 淄博 255075)

1 引言

金屬/氟聚物活性材料是一種高能復(fù)合材料，它可以通過化學(xué)能的釋放提高武器戰(zhàn)斗部的毀傷效能[1]。在實(shí)際工程應(yīng)用中明確其釋能機(jī)理，獲得其能量指標(biāo)，是指導(dǎo)武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Nielson D B等[2]提出了活性材料的常用金屬組分有Al、Mg、Ti、Zr、W 等；王海福[3]針對活性破片毀傷威力評估問題，提出了一種動態(tài)測量活性破片能量輸出特性的方法；劉金旭等[4]對兩種配方的活性材料反應(yīng)能、燃燒速度進(jìn)行了研究；Richard Ames等[5]推導(dǎo)了密閉容器內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力與活性材料總能量關(guān)系；仝遠(yuǎn)等[6]對Ti/W/PTFE含能破片沖擊反應(yīng)特性和釋能效應(yīng)進(jìn)行了分析；陳進(jìn)[7]、陳思源[8]、周杰[9]等通過彈道槍試驗(yàn)對Al/PTFE/W活性材料的撞擊釋能特性進(jìn)行了研究；伍雨等[10]建立了一套基于激光引發(fā)含能材料反應(yīng)熱測試系統(tǒng)。上述學(xué)者在研究活性材料釋能行為過程中，大多采取高速撞擊激發(fā)，這有可能導(dǎo)致活性材料在密閉容器外提前激發(fā)，難以捕獲其全部能量。由于彈道槍加速能力所限，難以對活性材料在100%反應(yīng)完畢情況下的釋能情況進(jìn)行分析，僅通過理論計(jì)算得到活性材料的最大釋能。并且試驗(yàn)裝置復(fù)雜，操作難度大，很有可能帶來系統(tǒng)誤差。

本研究即在此背景下展開，通過試驗(yàn)研究活性材料在密閉容器內(nèi)的釋能效應(yīng)，分析了藥量、配比對活性材料釋能的影響，提出了一種能量評估方法并對其釋能進(jìn)行了計(jì)算。設(shè)計(jì)了一種體積小、易操作的試驗(yàn)系統(tǒng)。研究結(jié)果對活性材料釋能機(jī)理有較好補(bǔ)充。

2 活性材料能量評估方法

2.1 發(fā)射藥能量測定方法

測定活性材料能量首先需要對其混合燃燒組分發(fā)射藥的能量進(jìn)行研究。火藥力f是反映某一火藥做功能力大小的標(biāo)志，火藥力可通過論計(jì)算方法求得，但是實(shí)際值與理論值直接往往存在偏差。因此，要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證火藥力的大小。

火藥力的計(jì)算公式普遍采用諾貝爾-阿貝爾公式，

(1)

對于火藥樣品，f、α均為定值，而壓力pm隨著裝填密度變化。為了確定f、α的值，需要對火藥樣品選取兩個(gè)不同裝填密度進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過公式推導(dǎo)可得到：

(2)

(3)

2.2 活性材料能量測定方法

活性材料反應(yīng)時(shí)釋放大量熱量和少量氣體，使內(nèi)部氣體溫度和壓力迅速升高，容器內(nèi)的壓力足夠高并滿足關(guān)系式[5]

(4)

即當(dāng)容器內(nèi)超壓大于0.09 MPa時(shí)，在超壓到達(dá)峰值之前可認(rèn)為容器是密閉的，因此工程上可近似認(rèn)為該系統(tǒng)為一個(gè)封閉系統(tǒng)，容器內(nèi)氣體壓力和溫度上升是一個(gè)絕熱過程。

罐體內(nèi)部氣體熱力學(xué)能增量與活性材料反應(yīng)釋放能量相等[3]，即

U=ΔE=E2-E1

(5)

式中下標(biāo)1和2分別代表測試罐內(nèi)初始狀態(tài)和終態(tài)。

假設(shè)測試罐內(nèi)氣體為常質(zhì)量、常體積理想氣體系統(tǒng)，因此

ΔE=MCvΔT=MCv(T2-T1)

(6)

式中，M、T和Cv分別代表罐內(nèi)氣體質(zhì)量、溫度和定容比熱。對理想氣體，有Cv=R/(γ-1)，其中，R為普適氣體常數(shù)，γ為氣體絕熱指數(shù)。通常取γ=1.4。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

ΔT=ΔPv/R

(7)

式中:v為比容，ΔP為測試罐內(nèi)超壓峰值。方程聯(lián)立解得

(8)

用測定的混合藥品能量減去發(fā)射藥能量，可以得到活性材料釋放到系統(tǒng)中的總能量。則活性材料比內(nèi)能為

(9)

3 試驗(yàn)方案

本文中設(shè)計(jì)了一種能量釋放特性測試裝置(見圖1)，測壓密閉容器由前端燃燒室與后端測壓室兩部分構(gòu)成，后端利用壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，并設(shè)有泄壓螺栓。前端燃燒室尺寸為Φ5 mm×100 mm，測壓室尺寸為Φ60 mm×100 mm。

圖1 密閉容器設(shè)計(jì)及安裝圖Fig.1 Design and installation drawing

前端燃燒室采用較小容積，目的是為了使發(fā)射藥與點(diǎn)火頭充分接觸，避免燃燒不充分現(xiàn)象發(fā)生。裝藥后，使用棉花壓實(shí)。

試驗(yàn)使用的儀器及型號規(guī)格如表1所示。

表1 測試儀器與設(shè)備

試驗(yàn)步驟如下：

1) 標(biāo)定壓力傳感器，歸零數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

2) 采用6節(jié)1.5 V干電池作為起爆器，檢測點(diǎn)火頭是否可靠發(fā)火；

3) 裝配試驗(yàn)設(shè)備，保證各部件穩(wěn)固可靠密封性好；

4) 稱量固定質(zhì)量火藥進(jìn)行裝藥，并安裝點(diǎn)火頭；

5) 設(shè)置動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觸發(fā)模式為手動觸發(fā)，采樣頻率2 kHz數(shù)據(jù)長度為10 kHz；

6) 首先點(diǎn)擊開始測試，然后馬上接通電池發(fā)火記錄數(shù)據(jù)；

7) 記錄1、2組數(shù)據(jù)后，觸發(fā)模式改為上升沿觸發(fā)，量程設(shè)置為±100 mV，觸發(fā)閾值設(shè)定為15%，采樣頻率5 kHz，數(shù)據(jù)長度為10 kHz；

8) 將動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置為等待觸發(fā)模式，然后接通電池自動記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 發(fā)射藥能量測定結(jié)果

圖2為不同質(zhì)量發(fā)射藥充分激發(fā)后，壓力傳感器收集到的數(shù)據(jù)曲線。可以看出質(zhì)量越大其壓力峰值越高，達(dá)到峰值的時(shí)間越短。在達(dá)到壓力峰值后迅速泄壓衰減，在0.3～0.5 s內(nèi)泄壓完畢。

圖2 發(fā)射藥激發(fā)后壓力數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Pressure collection data

根據(jù)式(2)與式(3)式可計(jì)算得到該發(fā)射藥火藥力f=906.7 J/g。

4.2 活性材料能量測定結(jié)果

圖3為發(fā)射藥加入活性材料充分激發(fā)后，壓力傳感器收集到的數(shù)據(jù)。可以看出相比單一發(fā)射藥，由于活性材料中的高能反應(yīng)物質(zhì)，可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量熱量使得氣體膨脹，并且產(chǎn)生沖擊波在測試罐內(nèi)反射、發(fā)展。因此導(dǎo)致產(chǎn)生的壓力明顯提高，曲線鋸齒較多。參照文獻(xiàn)[5]中的方法，對超壓曲線進(jìn)行了處理，黑色波動曲線為測得的原始曲線，紅色順滑曲線為扣除局部沖擊波壓力后的曲線，即總體準(zhǔn)靜壓曲線。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用的是準(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值，該峰值幾乎為原始曲線的波動均值。按照類似方法，也采用測得原始曲線中波動的均值來進(jìn)行計(jì)算。

圖3 發(fā)射藥加活性材料激發(fā)后壓力數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Pressure collection data(Add reactive material)

從圖3中可以看出，在初期壓力變化為平滑曲線，主要是發(fā)射藥的燃燒反應(yīng)。隨著反應(yīng)進(jìn)行，發(fā)射藥燃燒提供的能量使活性材料中的PTFE發(fā)生分解，產(chǎn)生的氟(F)與材料中的微米級金屬粉迅速反應(yīng)，瞬間釋放熱量增加壓力。同時(shí)，由于沖擊波所處環(huán)境為密閉空間，沖擊波在測試罐內(nèi)不斷反射導(dǎo)致曲線產(chǎn)生波動。隨著時(shí)間的增加，因熱擴(kuò)散、泄氣等損失，使容器的壓力逐漸下降，開始反應(yīng)后0.02 s，基本達(dá)到壓力最大值。

表2列出了活性材料試驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)釋能由式(8)與式(9)計(jì)算。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

其理論化學(xué)能主要由其化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算，在零氧平衡條件下，反應(yīng)方程式：

4Al+3-(C2F4)-→4AlF3+6C

Zr+-(C2F4)-→ZrF4+2C

Hf+-(C2F4)-→HfF4+2C

根據(jù)活性材料配方可計(jì)算得理論反應(yīng)熱為10.9 kJ/g。

從表2可以看出，在1～3號試驗(yàn)中雖然反應(yīng)超壓略有波動，但是反應(yīng)效率相對偏差不大，平均反應(yīng)效率為75%。而在4、5、6號試驗(yàn)中由于發(fā)射藥相對活性材料質(zhì)量太少、供能不足，難以維持活性材料釋能反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，導(dǎo)致反應(yīng)效率大幅降低，5、6號試驗(yàn)中由于發(fā)射藥質(zhì)量在所有試驗(yàn)中比例最低，所以其反應(yīng)效率最低。7號試驗(yàn)中，發(fā)射藥質(zhì)量充足能夠提供足夠能量使全部活性材料燃燒釋能，其能量可以支持全部活性材料完成反應(yīng)。

5 結(jié)論

1) 通過能量原理、內(nèi)彈道研究及熱化學(xué)原理，利用控制變量法獲得了活性材料反應(yīng)能量的計(jì)算方法。所得公式計(jì)算結(jié)果與理論值誤差較小。

2) 采用不同配比進(jìn)行試驗(yàn)，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，測定了其反應(yīng)效率。該實(shí)驗(yàn)一致性較好，能夠從準(zhǔn)靜態(tài)壓力方面反應(yīng)活性材料的能量釋放特點(diǎn)。

3) 在活性材料于發(fā)射藥質(zhì)量相接近的情況下，反應(yīng)不夠充分。結(jié)果表明在發(fā)射藥質(zhì)量為該活性材料5倍時(shí)，能夠使其100%反應(yīng)。