基于液體膨潤法的火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置

杜姣姣 張 皋 張林軍

(西安近代化學研究所，西安 710065)

基于液體膨潤法的火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置

杜姣姣 張 皋 張林軍

(西安近代化學研究所，西安 710065)

基于液體膨潤法的原理設計火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置。將待測火炸藥樣品浸入性能參數(shù)已知的膨潤液體中，利用精密激光位移傳感器測量升溫過程中樣品與膨潤液體共同的體積變化，從而計算樣品的體膨脹系數(shù)。該裝置可用于直徑不大于40mm、高度不大于40mm的任意形狀樣品的體膨脹系數(shù)測量，可滿足火炸藥樣品和相關(guān)包覆材料的體膨脹系數(shù)測量。

體膨脹系數(shù) 液體膨潤法 測試裝置 火炸藥

熱膨脹系數(shù)是指材料在冷熱環(huán)境中自身形變的特有屬性。一般情況下，隨著溫度的升高固體火炸藥體積相應要增大，當溫度降低時火炸藥體積相應減小，這種現(xiàn)象稱為火炸藥的熱膨脹。在火炸藥成型工藝、裝藥工藝、試驗、貯存及使用等環(huán)境中，火炸藥均可能發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象。當膨脹超出某一范圍，且不可逆時，將會嚴重影響火炸藥裝藥的結(jié)構(gòu)完整性，從而影響戰(zhàn)斗部和發(fā)動機的使用安全性[1～4]。如推進劑與包覆層熱膨脹系數(shù)相差較大時，可能引起推進劑裝藥包覆層脫粘，影響燃燒安全性；戰(zhàn)斗部炸藥裝藥熱膨脹系數(shù)較大時，其內(nèi)部就會產(chǎn)生應力，可能導致裝藥內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，影響發(fā)射安全性和侵徹安定性。因此，準確測量火炸藥的熱膨脹系數(shù)對于保證裝藥質(zhì)量和使用安全性具有重要意義[5～8]。①

目前，火炸藥熱膨脹系數(shù)表征方式可分為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)兩種。線膨脹系數(shù)是指在單位溫度改變下，火炸藥單位長度的形變；體膨脹系數(shù)是指在單位溫度改變下，火炸藥單位體積的變化。線膨脹系數(shù)更多表征均質(zhì)材料的熱膨脹特性。常用的火炸藥線膨脹系數(shù)測量裝置主要有熱機分析儀、膨脹儀等，其對應試驗方法為GJB 772A-97方法408.1“膨脹系數(shù)熱機分析法”、方法408.2“膨脹系數(shù)膨脹儀法”熱機分析儀主要由熱電偶、加熱冷卻系統(tǒng)、樣品平臺及測試探頭等組成，通過對已知原始長度的試樣按設置的程序升溫、降溫、再升溫，記錄試樣隨溫度變化的長度形變，繪出溫度形變曲線，計算樣品某溫區(qū)的線膨脹系數(shù)。膨脹儀主要由樣品室、控溫系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)及長度自動記錄系統(tǒng)等組成，通過記錄溫度上升(或下降)時試樣長度發(fā)生的變化，繪制長度隨溫度變化的曲線，計算樣品的線膨脹系數(shù)。上述方法和裝置更多用于測量火炸藥的線膨脹系數(shù)，體膨脹系數(shù)則通過線膨脹系數(shù)計算得到。由于體膨脹系數(shù)受到環(huán)境溫度、化學成分、加工方法及幾何形體特征等多種因素的影響。因此，從線膨脹系數(shù)計算得到體膨脹系數(shù)的方法對于各向同性的均勻材料，如均勻液體、金屬單質(zhì)等來說，具有較高的準確性，對于各向異性的混合材料來說，由于內(nèi)部化學成分分布不均勻，加工方法造成密度分布不均，或加工工藝造成結(jié)構(gòu)缺陷等，通過線膨脹系數(shù)計算得到的體膨脹系數(shù)準確性較低。因此，需要設計出直接、準確的體膨脹系數(shù)測試技術(shù)，以通過試驗準確地測量體膨脹系數(shù)，從而能夠更好地指導材料的加工工藝和工程應用。

現(xiàn)在常用的火炸藥均為混合炸藥，其組分較為復雜，通常是幾種物理化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的混合物，這就造成了其各項異性的特性，不能通過其線膨脹系數(shù)準確計算出體膨脹系數(shù)，也就不能準確地表征火炸藥的熱膨脹特性。因此，研究火炸藥的體膨脹測試技術(shù)，研制出精確便利的火炸藥體膨脹溫度系數(shù)測試儀器，建立準確有效的體膨脹系數(shù)測試方法是非常重要和緊迫的工作。目前，針對材料體膨脹測量的試驗系統(tǒng)和方法還未見文獻資料報道。

通過準確測量某一溫度區(qū)間下火炸藥熱膨脹體積，可以計算出該溫度下的熱膨脹系數(shù)。筆者根據(jù)火炸藥獨特的性能和特點，設計了一種直接準確測量火炸藥熱膨脹系數(shù)的試驗裝置，解決火炸藥體膨脹系數(shù)缺乏測量手段和方法的技術(shù)問題，從而更好地指導火炸藥的加工工藝和工程應用。該測量裝置可在溫度變化的情況下，通過精確測量浸入膨脹測量液中火炸藥藥柱的體積變化，計算獲得火炸藥體膨脹溫度系數(shù)。

1 裝置原理

火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置基于精密激光位移傳感器和液體浸潤法的原理，將各項異性的火炸藥的體積膨脹轉(zhuǎn)化為均勻液體的液面高度的線性變化進行測量，以達到體膨脹系數(shù)的準確實驗測定的目的。整個系統(tǒng)的核心為溫度的精確控制和液體液面位移的精確測量，利用精密溫度傳感器和外置恒溫腔體對溫度進行準確控制，利用激光位移傳感器進行液體體積微小變化的精確測量，火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置原理

2 裝置組成

火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置主要由體積計量系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成。

2.1體積計量系統(tǒng)

體積計量系統(tǒng)是裝置的核心部件，主要包含腔室、樣品腔容積控制元件、精密激光位移傳感器、測量浮板、觀察窗、測量細管、真空泵及升降裝置等。它用于升溫過程中膨潤液體與待測樣品體積變化量的測量，該系統(tǒng)利用激光位移傳感器進行液體體積微小變化的精確測量，測量原理為：從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接收器中的光電轉(zhuǎn)換元件及電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，再由計算機算出可動反射鏡的位移量，由于激光波長為已知長度且可調(diào)，幾乎不隨環(huán)境條件變化，因此該方法具有分辨率高和量程范圍寬的特點。高精度的激光位移傳感器，其位移測量精度優(yōu)于500nm，內(nèi)部具有自動校準裝置，可根據(jù)具體裝配的實際情況進行校準，保證前后兩次測量的相對位移精度優(yōu)于±1μm,可以滿足體膨脹系數(shù)測量裝置中液面的微小變化測量的精度要求。其中腔室的尺寸為內(nèi)徑42mm、高42mm，可用于放置直徑不大于40mm、高度不大于40mm的任意尺寸的樣品。

2.2溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)利用精密溫度傳感器和外置恒溫腔體對溫度進行準確控制，以達到溫度控制指標，主要包括溫度測量控制組件、保溫腔、保溫腔蓋及溫度傳感器等。具體設計為：系統(tǒng)設置兩個以上的溫度探頭，一個探頭設置到箱體上方，一個設置到箱體下方，取兩個探頭多次測量的均值作為樣品室溫度。溫度探頭采用工業(yè)A級鉑電阻，其分度誤差為±0.15℃，且溫度穩(wěn)定性高，室溫下穩(wěn)定性可保證在10mK以內(nèi)。為了進一步提高測溫精度，采用四線制的測量方法，減小了頭引線引入的測量誤差。

2.3自動控制系統(tǒng)

體膨脹系數(shù)測試裝置的終端是計算機自動控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集箱、PC機和專用軟件組成。它用于整個系統(tǒng)的控制和測試結(jié)果的記錄與處理，整個系統(tǒng)的模塊組成和功能如圖2所示。

圖2 體膨脹系數(shù)測試裝置自控系統(tǒng)組成和功能框圖

數(shù)據(jù)采集機箱采用美國NI公司cDAQ的4槽USB機箱，高精度數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司24位分辨率的采集卡，數(shù)字輸入和輸出模塊選用一款搭配NI CompactDAQ或CompactRIO的數(shù)字輸入數(shù)字輸出混合模塊，專用軟件選擇虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEW。

3 裝置應用

3.1試驗步驟

試驗時，首先啟動專用軟件和數(shù)據(jù)采集箱，然后在軟件上點擊開始進行試驗。先做膨潤液體的膨脹系數(shù)標定，再進行樣品的膨脹系數(shù)測量。

膨潤液體的膨脹系數(shù)標定按如下步驟進行：

a. 精密升降裝置調(diào)節(jié)到最高位，升降電機把試樣盒等升起；

b. 人工向內(nèi)筒中注入一定量的膨潤液體，然后把試樣盒翻轉(zhuǎn)放入托盤；

c. 將試樣盒等下降到內(nèi)筒中，到位后停止；

d. 啟動電磁閥連接真空泵，進行抽氣，形成一定負壓，保持一定時間后，關(guān)閉真空泵，再將電磁閥連接大氣；

e. 調(diào)節(jié)精密升降裝置，回讀液位變化，直到到達指定的下限位置，記下升降高度H1、溫度T1和液位高度h0；

f. 進行加熱，直到溫度達到上限100℃，軟件記錄下溫度變化過程最后的溫度T2和液位高度h1；

g. 將精密升降裝置調(diào)節(jié)到最高位，等待降溫完成。

根據(jù)兩次溫度差T2-T1，和兩次液位高度差h1-h0，可以計算出膨潤液體的膨脹系數(shù)。標定過程不需要每次都做，溫度變化不大、間隔時間短、同一批次膨潤液體情況下，可以只做一次標定。

樣品的膨脹系數(shù)測量步驟如下：

a. 精密升降裝置調(diào)節(jié)到最高位，升降電機把試樣盒等升起；

b. 等待膨潤液體基本滴完后，人工取下樣品盒，放入樣品，將試樣盒放入托盤；

c. 將試樣盒等下降到內(nèi)筒中，到位后停止；

d. 啟動電磁閥連接真空泵，進行抽氣，形成一定負壓，保持一定時間后，關(guān)閉真空泵，再將電磁閥連接大氣；

e. 調(diào)節(jié)精密升降裝置，回讀液位變化，直到到達指定的下限位置h0(與標定前未加熱時的液位相同)，此時的升降高度為H2；

f. 進行加熱，直到溫度達到需要的上限溫度，在此過程中，軟件記錄下溫度變化過程最后的溫度T2和液位變化值h2；

g. 將精密升降裝置調(diào)節(jié)到最高位，等待降溫完成。

3.2結(jié)果計算

根據(jù)以上測試得到的參數(shù)，可以計算出被測樣品的膨脹系數(shù)，計算過程如下：

標定時V液·γ液·(T2-T1)=(h1-h0)S自由

(1)

V樣=(H2-H1)S砝碼

(2)

樣品測試時V液·γ液·(T2-T1)+V樣·γ樣×

(T2-T1)=(h2-h0)S自由

(3)

式中S砝碼——砝碼的橫截面積；

S自由——自由面的橫截面積；

γ樣——樣品的體膨脹系數(shù)；

γ液——液體的膨脹系數(shù)。

由式(3)可得：

將式(1)、(2)代入式(3)可得：

4 結(jié)論

4.1基于液體膨潤法的火炸藥體膨脹系數(shù)測試裝置，可以直接進行樣品的體膨脹系數(shù)測量，解決了不均勻的火炸藥樣品體膨脹系數(shù)難以準確測量的問題。

4.2測試過程中對樣品形狀無要求，樣品制備過程簡單，裝置使用方便，可滿足生產(chǎn)過程中對材料體膨脹系數(shù)的快速測量要求。

[1] 許錫順.炸藥膨脹系數(shù)測試系統(tǒng)研制[D].西安：長安大學，2011.

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VolumeExpansionCoefficientTestDeviceofPropellantandExplosivesBasedonLiquidImmergingMethod

DU Jiao-jiao, ZHANG Gao, ZHANG Lin-jun

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Having the liquid immerging method based to design volume expansion coefficient test device for the propellant and explosives was implemented. Through having the sample of propellant and explosives under test immerged into the appropriate liquid with known performance parameters and then having the volume changing of both the liquid and the sample in the heating-up process detected with a precision laser displacement sensor, the sample’s volume expansion coefficient can be calculated. This device can be applied to measure the volume expansion coefficient of propellant, explosives and coating materials with arbitrary shape and the size of no greater than the height of 40mm and 40mm in diameter.

volume expansion coefficient, liquid immerging method, test device, propellant and explosives

TH73

A

1000-3932(2016)12-1314-04

2016-11-02(修改稿)

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項目(JSJC2013208C072)