活性材料能量釋放特性實驗評估方法

陳 進，袁寶慧，梁爭峰，肖 川，陳元建

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

活性材料是一種具有撞擊反應釋放化學能特性的含能材料，在戰斗部破片和槍炮子彈等方面有重要的應用價值，已成為新型毀傷元材料的研究熱點［1－5］。活性材料的動態能量釋放特性直接影響到其撞擊點火和終點毀傷等性能，所以動態能量釋放特性的表征及評估對于活性材料配方設計、毀傷效應和性能評估等方面具有重要意義［6－8］。傳統的能量釋放特性研究方法（如爆熱彈）是在靜態條件下起爆含能材料后進行，而活性材料的能量釋放特性高度依賴于撞擊過程，因此必須選用與之相適應的表征方法。

美國NSWC的Ames［9］發明了一種撞擊作用下活性材料動態能量釋放特性的實驗測量方法（Vented Chamber Calorimetry，VCC），即在一個初始密封、一側端蓋為薄靶的圓柱形容器內設置一個硬度較高的撞擊砧板，活性材料彈丸以一定的速度穿透容器的前蓋薄板后，撞擊到砧板上發生反應并產生壓力，通過測量容器內部的準靜態壓力，可分析出活性材料反應所產生的能量值。基于該實驗方法，國內外學者［8，10－11］已針對不同的活性材料開展了相應的理論與實驗研究。

本研究在VCC 實驗方法的基礎上，改進了實驗裝置，即在容器上增加了一個通透式觀察窗，通過該窗口利用高速攝像機記錄活性材料在容器內部的撞擊與反應過程，同時，推導了活性材料動態能量及反應效率與準靜態壓力的函數關系，從而可以從活性材料反應時火球及準靜態壓力兩個方面共同研究其動態能量釋放特性，為活性材料反應特性的深入研究提供參考。

1 活性材料能量評估方法

1．1 準靜態壓力與能量的關系

活性材料在密閉容器內撞擊發生反應后釋放出化學能，產生超壓并使容器內部的溫度升高。由于實驗時活性材料的質量小，反應產生的氣體量遠小于容器的體積，可忽略活性材料的質量對容器內氣體質量的影響，即容器內氣體的質量是守恒的，且可將容器內的氣體視為空氣；此外，活性材料的尺寸較小，則薄靶上穿孔的尺寸也較小，在短時間內（毫秒級），可忽略從穿孔中逃逸出的氣體量。文獻［9］也證明當容器內超壓大于0．09MPa時，則在超壓達到峰值之前，可認為容器是密閉的。因此，工程上可近似認為密閉容器中氣體是一個封閉系統，活性材料撞擊反應所造成容器內氣體的壓力和溫度上升的過程是一個絕熱過程。

活性材料釋放到系統的總能量包括活性材料的動能和化學能，主要分布在3個方面，即局部的沖擊波壓力、準靜態壓力及損失［9］。盡管沖擊波壓力與準靜態壓力存在差異［8］，但沖擊波壓縮容器內的氣體作功，使系統的內能增加，并表現為準靜態壓力和溫度的升高。對于系統中的內能，根據式（1）計算：

式中：U 為系統的內能；p 為容器內氣體的壓強；V為容器的內部體積；γ 為氣體絕熱常數，空氣γ＝1．4。對于等容絕熱過程，由于ΔV ＝0，則根據式（1）可得出系統內能變化為：

由于活性材料作用于系統的總能量等于容器內氣體的內能增量，即E＝ΔU，因此獲得準靜態壓力Δp 后可根據式（2）計算出活性材料釋放到系統的總能量。

1．2 活性材料動態能量的計算

由于活性材料釋放到系統的總能量包括反應材料的動能和化學能，所以計算活性材料反應所釋放的化學能時，需要剔除動能對系統能量或準靜態壓力貢獻，則有：

式中：Er為活性材料反應釋放的化學能；E 為活性材料釋放到系統的總能量；Ek為活性材料的動能。

由于活性材料破片在穿透容器薄靶時，會產生一定的質量和速度損失，所以釋放到系統的能量是由穿透容器薄靶后的剩余活性材料所貢獻。對于初始質量為m0、撞擊速度v0的活性材料破片，穿透容器薄靶后在容器內的剩余速度vr和剩余質量mr可由THOR 公式得到，即：

式中：δ為薄靶的厚度；A 為破片平均打擊面積；φ 為破片打擊速度方向和目標法線方向之間的夾角；c，α，β，γ，λ為材料參數。對于2mm 厚的鋁制薄靶，也可采用公式（4）和（5）［10］計算：

則活性材料破片穿透容器薄靶后的動能為：

式中：ek為活性材料的比動能。由式（3）和（8）可計算出活性材料反應釋放的比化學能h為：

1．3 活性材料反應效率的計算

活性材料的反應效率是評估活性材料能量釋放特性的重要指標，其等于動態試驗所測化學能與理論化學能之比，表示為：

式中：h0為活性材料的理論比化學能。

活性材料的理論化學能可根據熱化學的赫斯定律計算，對于任意一個化學反應式：

式中：B 為參加反應的物質；γB為B 的化學計量數，對反應物則取負值，對生成物則取正值。在溫度T為298．15K、壓力為pΘ的標準狀態下，該化學反應的標準摩爾反應熱計算公式為

式中：ΔrHθm為標準摩爾反應生成熱；ΔfHθm（B）為物質B 的標準摩爾生成熱。活性材料的理論比化學能與標準摩爾反應熱ΔrHθm的關系為

式中：Mmol（B）為活性材料組分B 的摩爾質量。

2 實 驗

2．1 實驗裝置及測試方法

設計了一套動態能量釋放特性測量裝置，如圖1所示。其中，反應容器的體積為54L（Φ350mm×560mm），最大可承受壓力1．0MPa，前蓋薄板為2mm 厚 的2A12 鋁 板；撞 擊 砧 板（Φ300mm×30mm）為45號鋼，并經過熱處理，硬度HRC50－55。

圖1 動態能量釋放特性測試系統示意圖Fig．1 Schematic diagram of dynamic energy release characteristic testing system

將壓力傳感器（美國PCB 公司ICP113B31型）布置在測試容器中間位置的壁面上，用以采集容器內沖擊波超壓及準靜態壓力，并采用Dewetron 公司DEWE－5000型數據采集器作為實驗數據接收系統；在容器的通透式觀察窗處放置高速攝像機（美國PhantomV7．1 型，拍攝頻率6 600fps）；此外，采用14．5mm 口徑的彈道槍作為破片的發射裝置，并采用網靶測速裝置測量活性材料破片撞擊薄靶前的速度。

2．2 樣 品

實驗采用3種活性材料樣品，均由鎢粉W（粒徑5μm）、鋁粉Al（粒徑5～50μm 級配）與聚四氟乙烯PTFE（粒徑20μm）混合后壓制并經燒結制成直徑10mm 的圓柱體，配方及其參數見表1，每種樣品均準備3發。

表1 活性材料試樣參數Table 1 The parameters of reactive material samples

3 結果與討論

活性材料試樣均以約1 600m／s的速度穿透測試容器前蓋的薄板，然后撞擊到砧板上發生反應，由壓力傳感器及高速攝影機分別記錄其壓力隨時間及火球的變化過程，圖2為3種樣品反應時容器內壓力的變化曲線。

圖2 容器內壓力隨時間的變化曲線Fig．2 The time history of pressure inside the chamber

從圖2 可以看出，活性材料開始反應后，金屬Al與PTFE分解產生的氟（F）發生快速反應，所產生的沖擊波在容器內部迅速傳播，壓力迅速上升；隨后，未反應的活性材料、反應產物與材料中的氧化劑F 與容器內的氧發生后燃燒反應，持續釋放熱量不斷增加準靜態壓力；隨著時間的增加，因熱擴散、穿孔等損失，使容器的壓力逐漸下降。分析活性材料的釋放能量時，可取最大準靜態壓力，圖2所示3種樣品的壓力曲線中，在開始反應后10ms左右，其準靜態壓力均基本達到最大值。

圖3為活性材料撞擊與反應過程的高速攝影圖片。從圖3也可以看出，撞擊開始后，火光迅速增強，在9～12ms亮度達到最大值，然后漸漸變弱，這與壓力變化曲線所反映的信息一致。此外，容器外的火球主要是由活性材料穿越容器前蓋的薄板時遺留的材料發生反應所致。

表2列出了活性材料試驗結果，其中，剩余速度vr和剩余質量mr分別按式（6）和式（7）計算，活性材料的比動能為ek＝0．5v2r；比化學能h 由式（11）計算；理論比化學能h0主要根據其化學反應式計算：

結合反應物和產物的標準生成焓ΔrHθm得到樣品1和樣品2的h0為14 562J／g，而樣品3的h0為5 825J／g。

圖3 活性材料撞擊與反應過程的高速攝影圖片Fig．3 High－speed video photves of impact and reaction process of reactive materials

表2 活性材料的試驗結果Table 2 Experimental results of reactive materials

從表2可以看出，樣品1和樣品2配方相同，雖然它們的質量不同，且穿靶速度v0略有波動，但6發實驗中，反應效率η的相對偏差并不大，由于樣品2第1發實驗的η 值為41．5%，明顯高于其他5發試驗的結果，若將其剔除，則其余5發試驗中的平均反應效率為38．34%，比化學能h 的平均值為5 583．8J／g，反映h 和η 試驗結果相對波動程度的變異系數僅為1．1%。樣品3 的3 發實驗中，反應效率η的相對偏差也較小，平均反應效率為34．4%，比化學能h 的平均值為2 002J／g，h 和η 實驗結果的變異系數約為2．3%。因此，在配方相同、撞擊速度大致相等的條件下，測試結果的一致性較好。此外，實驗測得樣品3的平均比化學能h為2 002J／g，約為樣品1或樣品2的36%，而理論比化學能h0為5 825J／g，約為樣品1或樣品2的40%，這是因為樣品3中含有質量分數為60%的鎢粉，影響Al和PTFE之間的接觸，使得材料在撞擊作用下反應不充分，其反應效率相比樣品1和樣品2有所降低，這一點也符合反應的基本規律。

4 結 論

（1）通過推導活性材料在撞擊條件下所釋放的能量與撞擊速度、準靜態壓力等參數的關系式，結合熱化學原理獲得了活性材料反應效率的計算式，在此基礎上建立了活性材料動態能量釋放特性評估方法。

（2）對VCC實驗方法進行了改進，可以從準靜態壓力及火球變化兩個方面獲得反映活性材料動態能量釋放特性的參數。

（3）采用兩種活性材料對該實驗評估方法進行了驗證，結果表明，實驗結果的變異系數較小，其最大值為2．3%，與實驗結果的一致性較好，證明采用該方法評價活性材料的能量釋放特性是可靠的。

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