微氣孔球形藥的定容燃燒性能

藺向陽(yáng)，王 亞，劉玉軍，殷繼剛，潘仁明

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094；2.中國(guó)爆破器材行業(yè)協(xié)會(huì)，北京100089；3.五洲工程設(shè)計(jì)研究院，北京100053）

引 言

多孔型含能材料燃燒與密實(shí)型含能材料燃燒的最大區(qū)別是對(duì)流燃燒模式。多孔型含能材料燃燒時(shí)氣相化學(xué)反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)對(duì)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?xì)忸A(yù)熱了燃燒表面之前的材料［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)多孔含能材料開(kāi)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(jìn)劑，通過(guò)載荷沖擊、子彈射擊及鋼管試驗(yàn)對(duì)其感度進(jìn)行了測(cè)試，推進(jìn)劑表現(xiàn)出燃燒或爆燃特性。中止燃燒試驗(yàn)表明，燃燒反應(yīng)區(qū)的滲透深度可以達(dá)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(yīng)模注工藝）方法制備了發(fā)泡推進(jìn)劑。Telengator 及Margolis等對(duì)受約束的多孔推進(jìn)劑燃燒特性開(kāi)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(duì)壓力很敏感，當(dāng)壓力差超過(guò)特定的臨界值，燃燒方式將從傳導(dǎo)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(yù)熱區(qū)可導(dǎo)致局部自點(diǎn)火。王伯羲［15］研究了微孔推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)對(duì)流燃燒的物理和數(shù)學(xué)模型，將對(duì)流燃速與微孔參數(shù)相關(guān)聯(lián)，可以預(yù)估微孔參數(shù)、基礎(chǔ)質(zhì)量燃速和燃燒室壓力等對(duì)爆燃特性的影響。Xu F［16］采用有限元方法對(duì)多孔推進(jìn)劑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。Jutta［17］等研究了采用化學(xué)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(duì)單基微氣孔球形藥的常壓燃燒特性開(kāi)展了研究［18］，結(jié)果表明，其表觀燃速遠(yuǎn)高于常規(guī)的不含孔的藥粒。

本研究通過(guò)密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，對(duì)以硝化棉為主體成分的微氣孔球形藥定容燃燒性能進(jìn)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(shí) 驗(yàn)

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(guò)篩分選取不同的粒度進(jìn)行測(cè)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(jìn)行切片，對(duì)切面進(jìn)行掃描電鏡測(cè)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(méi)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(kāi)孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其燃燒特性與密實(shí)火藥存在較大的差別。

1.2 定容燃燒試驗(yàn)

采用50mL密閉爆發(fā)器進(jìn)行定容燃燒試驗(yàn)，以0.5g氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%的D 級(jí)硝化棉作點(diǎn)火藥，點(diǎn)火壓力為10MPa，用瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)記錄壓力-時(shí)間曲線。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裝填密度為0.12g／cm3，樣品的堆積密度降到0.56g／cm3時(shí)，壓力曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，因此堆積密度小于0.56g／cm3時(shí)，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(cè)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(jiàn)圖2。

圖2 不同裝填密度時(shí)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?xì)馍伤俾室草^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?xì)馍伤俾试酱蟆．?dāng)裝填密度為0.12g／cm3，堆積密度降至0.56g／cm3時(shí)，壓力曲線出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；裝填密度繼續(xù)降低時(shí)，壓力波消失。當(dāng)測(cè)試樣品的裝填密度為0.04g／cm3，堆積密度降至0.22g／cm3時(shí)再次出現(xiàn)明顯的壓力曲線波動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象沒(méi)有明顯改變，壓力曲線的波動(dòng)現(xiàn)象可能是由于傳感器響應(yīng)速度不夠高。

由壓力-時(shí)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(duì)圖3的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到孔隙率與表觀線性燃速系數(shù)之間的表達(dá)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(duì)壓力曲線的影響

將堆積密度為0.53g／cm3、不同粒徑的樣品進(jìn)行定容燃燒試驗(yàn)，裝填密度為0.04g／cm3時(shí)，壓力-時(shí)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?xì)馍伤俾示驮娇欤@主要是由于起始燃燒表面積增加造成的。對(duì)幾條p-t曲線進(jìn)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(dòng)態(tài)活性曲線

由定容燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓力-時(shí)間曲線，經(jīng)過(guò)推算得到不同堆積密度樣品的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(méi)有燃燒漸增性。動(dòng)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?xì)馍伤俾试娇臁?/p>

（3）隨著樣品堆積密度的降低，動(dòng)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(yáng)，程向前，潘仁明，等.微氣孔球形藥常壓燃燒特征［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，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.