一种研究含能材料反应机理及安全性评估的方法

摘要

本发明公开了一种研究含能材料反应机理及安全性评估的方法，该方法利用快压缩机以及可视化燃烧室，实现对含能材料快速均匀的热刺激加载以及反应过程的可视化过程的记录。热刺激的升温速率可达到2×10

说明书

技术领域

本发明属于含能材料反应机理及安全性评估领域，具体涉及一种研究含能材料反应机理及安全性评估的方法，用于研究含能材料着火与不着火的边界条件，含能材料化学活性评估以及指导含能材料的安全使用等方面。

背景技术

含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物，是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。在军事领域，高能的含能材料是必然趋势。但随着含能材料的高能化，炸弹、导弹以及推进剂的安全性就会有所下降，影响高能材料的实用性。如实测比冲为255s的高能推进剂NEPE危险性在逐渐增大(为1.1级危险品)；远程火箭和中远程导弹的装药量从几百公斤上升至几十吨；此外推进剂的燃速从2mm/s上升至100mm/s。此类含能材料受到热刺激或者冲击刺激时可能会发生非常严重的事故。因此针对含能材料发展的趋势，研究其受到外界条件刺激下的反应机理以及安全性评估非常有必要。

目前含能材料外界刺激的反应机理及安全性评估方法主要为烤燃。烤燃实验是针对含能材料在制造、存储、运输以及实战环境中可能会遭受意外的热刺激而设计的，用来检验弹药对意外热刺激的敏感程度和发生反应时的剧烈程度。通常情况下，烤燃实验分为慢烤燃和快烤燃两类。慢烤燃实验主要用于含能材料在受到外部缓慢加热时的反应类型研究。烤燃时间一般在几个小时甚至几十个小时。通过慢烤同时可以获得含能材料相关的动力学参数，如活化能、指前因子、生成热等。由于慢烤所需时间长，实验过程中的环境变量不易控制；与慢烤燃实验不同的是，快速烤燃实验主要评估含能材料在受到外部火烧时的反应程度。且含能材料在快速烤燃条件下存在温度梯度。利用烤燃方法进行含能材料安全性测试时，样品需求量较大，实验本身的安全性差，成本高。与此同时，含能材料在制造、存储、运输以及实战环境中受到快速的热与力刺激时的响应还有待研究。而对于含能材料在受外界刺激下反应过程、规律及机理的研究更是缺乏。目前只能凭借宏观经验采取措施防止事故发生，不能有效的量化含能材料反应的临界阈值，不能从根本上控制燃烧或者爆轰的发生，制约了高性能武器的研发进展。

综上所述，开发新的快速均匀热刺激的方式，使得试验用含能材料样品量小，热力学状态明确，能够研究含能材料对热刺激的反应机理及安全性能具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究含能材料反应机理及安全性评估的方法。该方法利用快速压缩机装置的特性实现了试验安全性高、含能材料样品量小、快速均匀热刺激等目的。

本发明采用如下的技术方案来实现：

一种研究含能材料反应机理及安全性评估的方法，包括以下步骤：

1)为了研究含能材料反应机理及安全性，首先确定含能材料样品的种类、形状和重量；

2)确定快速压缩机可视化燃烧室内混合气的组分，即确定氧气和稀释气的体积分数X1,X2；

3)确定快速压缩机可视化燃烧室内混合气的总压力P，根据步骤2)中各气体的体积分数，利用分压公式Pi＝P×Xi，i＝1,2.算出各自的分压；

4)将含能材料样品放入快速压缩机装置的可视化燃烧室内，通过端盖将可视化燃烧室密封；

5)将密封的可视化燃烧室用真空泵抽真空后，利用压力传感器记录燃烧室内的压力数值a0；

6)向可视化燃烧室内充入氧气至压力表的示数为a1，使得a1-a0＝P1；

7)向可视化燃烧室内充入稀释气至压力表的示数为a2，使得a2–a1＝P2；

8)利用快速压缩机对可视化燃烧室内的含能材料样品以及混合气进行压缩，压缩过程中利用压力传感器记录可视化燃烧室内压力的变化，同时利用高速相机对含能材料样品的热加载过程进行同步拍摄记录反应过程；

9)确定该实验压缩终点的热力学参数，即压缩终点压力，压力传感器记录的压力曲线得到，压缩终点温度通过理想气体绝热方程计算得到；

10)通过压力传感器记录的压力曲线以及高速相机记录的反应过程，判断含能材料样品在本次实验的热力学条件下是否发生着火。

本发明进一步的改进在于，所述的含能材料反应机理为不同种类、形状以及重量的含能材料对热刺激的相应规律，以及燃烧过程中传热、相变、界面反应的作用。

本发明进一步的改进在于，所述的含能材料安全性评估为获得含能材料点火成果与失败的临界热力学阈值以及建立临界阈值的经验模型。

本发明进一步的改进在于，所述的含能材料样品为炸药类，发射药类以及火箭推进剂类。

本发明进一步的改进在于，所述的含能材料形状为块状、絮状以及粉末。

本发明进一步的改进在于，所述的含能材料重量为1-100mg。

本发明进一步的改进在于，所述的可视化燃烧室是带有石英玻璃窗口的圆柱形燃烧室。

本发明进一步的改进在于，所述的稀释气体为氮气、氩气或二氧化碳气体。

本发明具有如下有益的技术效果：

1)通过本发明，可以精确的找到含能材料样品着火的边界条件，为安全性能评估做出重要贡献。同时可以根据高速相机拍摄的图片，对含能材料的反应机理进行更加清晰直观的阐述。

2)本发明利用快速压缩装置提供快速均匀热刺激环境，升温速率可达2×10⁴K/s，操作简单，热力学参数易于控制。

3)实验用含能样品量仅为1-100mg，实验安全可靠，成本低。

4)通过采用调整氩气、氮气、二氧化碳等稀释气体的不同比例，实现在不同热力学状态下，含能材料样品的响应情况。

附图说明

图1为本发明使用的快速压缩机结构示意图。

图2为本发明使用的可视化燃烧室结构示意图。

图3为本发明实施例1所使用的不同形状的NC/NG样品，图3(a)为块状，图3(b)为絮状，图3(c)为粉末状。

图4为本发明实施例1利用压力传感器获取的不同形状的NC/NG样品下的圧力曲线。

图5为本发明实施例2利用压力传感器获取的不同样品的圧力曲线。

图6为本发明实施例3利用压力传感器获取的不同热力学参数下的圧力曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-2所示，本发明所使用的快速压缩机以及可视化燃烧室结构示意图，包括油箱1，压缩缸2，可视化燃烧室系统3，光源4，高速摄像机5，第一透镜6，控制与采集系统7，油缸8，连杆9，驱动缸10，金属软管11，高压储气罐12，空气压缩机13，手动蝶阀14，电动蝶阀15，可视化燃烧室16，螺栓孔17，载物台18，固定螺栓19，含能材料样品20，石英玻璃21，密封圈22，视窗端盖23，第一反射镜24，第二反射镜25，以及第二透镜26。

通过空气压缩机13向高压储气罐12中充入一定的气体作为驱动源，并保持压力在驱动活塞过程中基本恒定，高压储气罐12直接与驱动缸10相连，中间装有电动蝶阀15用来阻隔高压气体。然后，在油缸8中利用供油系统给其提供足够大的油压，用来顶住右侧高压储气罐12的驱动压力，此时介于高压储气罐12与驱动缸10之间的电动蝶阀15处于打开状态。这样高压储气罐12中的高压气体将直接与驱动缸10中的驱动活塞接触，保证压缩开始之后驱动活塞能在高压气体的驱动下顺利向前推进。此时气体驱动过程基本完成。接着，图2中通过载物台18，将含能材料样品20放置在石英玻璃21中心位置。利用固定螺栓19将石英玻璃21以及可视化燃烧室16固定。打开光源4，光源4产生的光线通过第一透镜6与第一反射镜24将光线通过一个石英玻璃21射入可视化燃烧室16内照亮含能材料样品20，光线从另一个石英玻璃21中出来通过第二反射镜25与第二透镜26被高速摄像机5吸收，形成图像。最终控制与采集系统7将同时控制液压系统中的泄油电磁阀，压力传感器以及高速摄像机5。通过电脑控制电磁阀打开，此时在油缸8中建立起来的高压油，通过回油管流回油箱1中，油缸8内的油压迅速下降，驱动缸10中的高压气体产生的驱动力会高于油缸8内液压油产生的制止活塞运动的力。因此驱动活塞会在高压气体的驱动下迅速前进，实现对可视化燃烧室16内的含能材料样品20瞬间压力冲击，与此同时安装在可视化燃烧室16上的压力传感器以及高速摄像机5同步进行压力数据以及图像信息的采集。

实施例1：

如图3所示，分别制备块状、絮状、粉末的含能材料样品NC/NG各30mg。确定快速压缩机可视化燃烧室内混合气的组分为氧气为0.21bar，稀释气体使用氮气0.78bar以及氩气0.5bar。将块状含能材料样品NC/NG 30mg放入可视化燃烧室载物台上，利用端盖将可视化燃烧室密封。

利用真空泵将可视化燃烧室抽真空，并通过压力传感器记录燃烧室内的压力数值0.006bar。向燃烧室内充入氧气至压力表读数为0.216bar，继续充入氮气至压力表读数为0.996bar，最后充入氩气至压力表读数为1.496bar。

利用快速压缩机对可视化燃烧室内的块状NC/NG样品以及混合气进行压缩。通过压力传感器记录压缩过程压力的变化曲线，如图4中黑色曲线所示。通过压力曲线可得压缩终点压力为27.3bar，压缩终点温度根据理想气体绝热方程计算得到为720K。快速压缩机记录的压缩终点后的圧力，如果有上升趋势，则说明含能材料发生着火。未有压力上升说明含能材料安全，未发生着火。通过压力曲线可判断30mg块状含能材料样品NC/NG在本次热力学条件下未发生着火，属于安全的样品。

重复上述步骤依次进行相同质量30mg下NC/NG样品在絮状和粉末的形状下的反应机理及安全评估实验。得到的压力曲线如图4中红色与蓝色曲线。通过对三种不同形状下NC/NG含能材料样品的压力曲线进行对比，可以发现NC/NG样品在不同形状下反应机理不同，安全性能也有所差别。块状NC/NG最稳定，安全系数高。而絮状NC/NG反应活性最高，最容易发生燃烧，安全性差。

实施例2：

分别制备粉末状的含能材料样品RDX和NC/NG各20mg。确定快速压缩机可视化燃烧室内混合气的组分为氧气为0.21bar，稀释气体使用氮气0.78bar以及氩气0.5bar。将粉末状含能材料样品RDX 20mg放入可视化燃烧室载物台上，利用端盖将可视化燃烧室密封。

利用真空泵将可视化燃烧室抽真空，并通过压力传感器记录燃烧室内的压力数值0.0058bar。向燃烧室内充入氧气至压力表读数为0.2158bar，继续充入氮气至压力表读数为0.9958bar，最后充入氩气至压力表读数为1.4958bar。

利用快速压缩机对可视化燃烧室内的粉末状RDX样品以及混合气进行压缩。通过压力传感器记录压缩过程压力的变化曲线，如图5中蓝色曲线所示。通过压力曲线可得压缩终点压力为27.0bar，压缩终点温度根据理想气体绝热方程计算得到为718K。通过压力曲线可判断20mg粉末状含能材料样品RDX在本次热力学条件下未发生着火，属于安全的样品。

重复上述步骤进行相同质量20mg下NC/NG样品在粉末的形状下的反应机理及安全评估实验。得到的压力曲线如图5中红色曲线。通过对两种不同含能材料样品的压力曲线对比，可以发现相同形状下的NC/NG样品发生了自燃，压缩终点过后的压力曲线有上升趋势安全性低。而对于RDX样品，压缩过后的压力曲线并未上升，说明没有发生燃烧，安全性高。相同实验条件下的RDX样品比NC/NG样品更加稳定与安全。

实施例3：

制备粉末状的含能材料样品NC/NG 20mg。确定快速压缩机可视化燃烧室内混合气的组分为氧气为0.21bar，稀释气体使用氮气0.78bar。将粉末状含能材料样品NC/NG 20mg放入可视化燃烧室载物台上，利用端盖将可视化燃烧室密封。

利用真空泵将可视化燃烧室抽真空，并通过压力传感器记录燃烧室内的压力数值0.0061bar。向燃烧室内充入氧气至压力表读数为0.2161bar，继续充入氮气至压力表读数为0.9961bar。

利用快速压缩机对可视化燃烧室内的粉末状NC/NG样品以及混合气进行压缩。通过压力传感器记录压缩过程压力的变化曲线，如图6中蓝色曲线所示。通过压力曲线可得压缩终点压力为16.0bar，压缩终点温度根据理想气体绝热方程计算得到为638K。通过压力曲线可判断20mg粉末状含能材料样品NC/NG在本次热力学条件下未发生着火，属于安全的样品。

重复上述步骤进行相同质量20mg下NC/NG样品在粉末的形状下的反应机理及安全评估实验，此时混合气的组成为0.21bar氧气、0.78bar氮气以及0.5bar氩气。得到的压力曲线如图5中红色曲线。通过对两种不同混合气比例下含能材料样品的压力曲线对比，可以发现在热力学条件为27bar，718K下的NC/NG样品发生了自燃，压缩终点过后的压力曲线有上升趋势安全性低。而对于在热力学条件为16bar，638K下的NC/NG样品，压缩过后的压力曲线并未上升，说明没有发生燃烧，安全性高。