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(shè)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(guān)聯(lián)，可以預估微孔參數(shù)、基礎(chǔ)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 不同堆積密度微氣孔球形藥的孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of the sample porosity and burning rate coefficient

對圖3的關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié) 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(guān)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。

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