強沖擊作用下含能粉體DAAF的熱點光輻射特征

摘要：為探究強沖擊作用下含能粉體中熱點密度的生成與發展，采用二級輕氣炮系統對含能粉體二氨基偶氮呋咱（Diaminofurazan，DAAF）進行沖擊，通過輻射高溫計觀測同一沖擊條件下不同厚度的DAAF粉體中熱點輻射特征，采用普朗克公式擬合灰體模型得到DAAF粉體在速度為1.6 km/s飛片沖擊下的表觀溫度與發射率。結果表明：沖擊DAAF粉體的熱點生成溫度約為3 950 K，并在200 ns的時間尺度內呈現一定的冷卻態勢，且隨著樣品的厚度增加熱點發展更為充分，在最厚的樣品中熱點聚集更加明顯；在200 ns時間尺度內，樣品的發射率呈現增加態勢且隨著樣品的厚度增加呈遞增趨勢。在沖擊速度1.6 km/s下，0.645 mm厚度DAAF樣品存在爆燃現象。

關鍵詞：含能粉體 DAAF熱點 光輻射 灰體模型

中圖分類號：TB383" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）03-0030-06

Hotspot Optical Radiation Characteristics of Energetic Powder

DAAF under Intense Impacts

NIE Qunpeng1，" ZHANG Daiyu1，2

（1. School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China； 2. Sichuan Provincial Key Laboratory for Safety in

Non Coal Mines， Mianyang 621000， Sichuan， China）

Abstract：" In order to understand the generation and development of hot spots in energetic powders under strong impact， a two-stage light gas gun system was employed to impact diaminofurazan （DAAF） powder. The radiative high-temperature pyrometer was used to observe the thermal radiation characteristics of DAAF powder with different thicknesses under the same impact conditions. Using the Planck formula to fit the gray body model， the apparent temperature and emissivity of DAAF powder were obtained under a flyer plate impact velocity of 1.6 km/s. The results indicate that the hot spot generation temperature for impacting DAAF powder is approximately 3 950 K， and it exhibits a certain cooling trend within a time scale of 200 ns. Moreover， with increasing thickness of the sample， the development of hot spots becomes more sufficient， and hot spot aggregation is more evident in the thickest sample. Within a 200 ns time scale， the emissivity of the samples shows an increasing trend， and it tends to increase with the thickness of the sample. At an impact velocity of 1.6 km/s， a DAAF sample with thickness of 0.645 mm exhibits a phenomenon of deflagration.

Keywords：" Energetic powder; DAAF hot spots; Optical radiation; Gray body model

含能粉體通常是非勻質的，它們在澆鑄、壓裝、結晶等過程中會產生一定的氣泡、雜質與間隙。非均相炸藥，在一定的機械力作用下，其轉換熱使炸藥提高的溫度根本不可能觸發炸藥的化學反應，但是炸藥仍然發生了爆轟［1-2］。究其原因，炸藥被一定強度的沖擊波作用時，其內部會形成局部高溫熱點，這些熱點的溫度遠高于炸藥本體材料，熱點會點燃周圍的本體材料，導致劇烈燃燒形成爆轟波，最后引爆炸藥［3-4］。

了解和控制熱點將有助于開發更安全的高能低感炸藥。炸藥的起爆機理主要與沖擊產生熱點理論有關，熱點理論是一種重要的且比較復雜的理論。幾十年來，大量的理論和實驗研究了熱點形成機制并提出一些相關模型。對于非均質炸藥含能粉體，空隙沖擊坍縮模型被廣泛應用。空隙沖擊塌陷模型是指當沖擊波與炸藥內空隙相互作用時，空隙受壓塌陷，空隙表面材料發生噴濺或發生摩擦［5-8］，使能量在空隙位置發生聚積，形成高溫熱點。

研究顯示，直接觀測熱點的產生比較困難，當粉體材料中產生爆炸現象時，熱點發展時間短，觀測窗口時間有限，尤其細微瞬態熱點更難觀測。迄今為止，熱點的產生和發展只能由一些輻射觀察結果［9-12］或模擬結果［13-17］推斷。美國部分研究者采用激光沖擊的方式測量了熱點的輻射，如文獻［18-19］采用激光沖擊推動微米厚的基板撞擊含能粉體的方式測量了含能材料的輻射亮度，但由于采用的激光脈沖時間短，樣品直徑小，在沖擊后，樣品側邊的稀疏波在短時間內進入觀測界面，當熱點發展時間超過50 ns時，其觀測無法進行，由此造成激光沖擊粉體表面輻射觀測實驗的觀測時間窗口非常有限。由于熱點聚集、發展的觀測需要相當長的觀測時間（如亞微秒）才能保證，因此亟待開發可以穩定長時間觀測沖擊熱點發展的在線檢測技術。

從現有研究來看，雖然單個熱點很難觀測，但可以使用輻射高溫計來探測熱點的聚集行為［20-22］?；诩す鉀_擊含能粉體的實驗缺陷，本文采用二級輕氣炮沖擊含能粉體二氨基偶氮呋咱（Diaminofurazan，DAAF）并觀測其表面輻射行為。相比于激光沖擊手段，二級輕氣炮具有以下優勢［23］：（1）氣炮沖擊技術產生的沖擊波陣面面積大，不會形成沖擊粉體團聚；（2）飛片和基板更厚，實驗中可以有效控制粉體厚度，在飛片速度2 km/s的沖擊作用下，可以使卸載波到達粉體材料的時間延長至500 ns，由此可以忽略邊側卸載波的影響。

在沖擊實驗中，可用普朗克公式擬合光探測手段測得的樣品表面光譜輻射亮度，由此得到材料的表觀溫度和發射率（發射率可以體現熱點在樣品中的體積占比）。本文研究了不同厚度的含能粉體DAAF在同一強度的沖擊作用下厚度對熱點產生和發展的影響，探討DAAF粉體中沖擊熱點的增長過程。

1 粉體沖擊實驗

1.1 實驗裝置

實驗在西南交通大學高壓物理研究所完成。實驗裝置由二級輕氣炮、輻射高溫計、磁測速系統和DAAF靶組成。實驗樣品為密度2.02 g/cm3、孔隙率52%的納米級DAAF粉體。實驗時分別稱量0.017，0.029，0.070 g的粉體樣品，將3個樣品放在YAW-300D恒應力壓力試驗機上壓制成直徑為5 mm、厚度分別為0.150，0.285，0.645 mm的圓柱體粉體樣品薄片，編號為1，2，3號。為保證3個樣品具有相同的孔隙率，對3個樣品施加相同壓力（2 000 N）。3個樣品分別置于不同孔內，相互之間無接觸，壓制后的粉體形狀同時固定，制成的樣品如圖1所示。

制備直徑為30 mm、高度為1 mm的無氧銅圓片作為基板；采用3個厚度依次為0.05，0.10，0.50 mm的藍寶石片作為窗口。將銅基板置于靶裝置的底端，再將外模片覆于基板上；將制備的圓柱體炸藥樣品依次置于外模片中3個圓柱體孔洞內并編號，再將3個內模片嵌入外模片，按照編號放入不同厚度的藍寶石窗口；藍寶石窗口和樣品按厚度增加依次組合，將三合一的3根光纖探頭分別置于3個窗口的后界面并與界面接觸，以此完成靶組裝。實驗時，將靶裝置固定在二級輕氣炮靶室內靶座上，光線探頭尾端與輻射高溫計相連接。組裝后的靶實物裝置如圖2所示。

1.2 多通道輻射測量實驗原理

實驗裝置如圖3所示。在裝置組裝完成后，采用二級輕氣炮將飛片加載到1.6 km/s，由此形成的沖擊波將樣品沖擊到高溫高壓狀態，樣品被壓縮后，其中部分粉體之間的空隙坍縮，形成高溫熱點。沖擊波陣面穿過樣品后，繼續向前運動進入藍寶石窗口，藍寶石窗口按照薄-厚順序依次破碎，當窗口破碎發生時，界面發光被散射，沖擊波繼續向前發展，到達光纖頭時，光纖頭被沖擊破壞；由于能量光纖的接收角小于5°，光纖探頭破損時，對應的光纖頭停止收集光信號。低厚度的樣品在沖擊作用下界面發光信號收集被率先終止；由于3組樣品與其對應的窗口厚度成比例增加，高厚度樣品內沖擊波會繼續作用，其中熱點的發育時間更長。

在不同的沖擊強度作用下，熱點的發展一般會呈現出兩種趨勢：在低沖擊強度下，能量在空隙聚集形成熱點，當熱點發展不充分時，熱點上的能量會傳至周圍溫度較低的部分，熱點最終會熄滅；在更高的沖擊強度下，熱點密度大的部位形成較多的能量堆積，當堆積能量數值超過爆轟臨界條件對應的勢壘時，熱點周圍材料發生熱化學反應，釋放大量能量，達到爆燃條件，最終形成爆轟波［19］。圖4為沖擊作用下粉體材料中的熱點從形成到爆燃的簡化表示。圖4（a）為飛片未到達粉體樣品的時刻；圖4（b）為沖擊后體積占比小的局部熱點；其中大部分熱點會消退，但也有部分熱點會形成如圖4（c）所示的高溫聚集團簇；由于整個樣品在沖擊形成的高壓環境下致密化，當沖擊波強度足夠時，聚集熱點團簇可能持續增長，當樣品厚度滿足持續增長條件，最終可能產生爆燃現象，如圖4（d）所示。因此，要觀測到爆燃現象的產生，必須考慮熱點發育時間，而熱點的有效發育時間與厚度成正比，要觀測熱點發展的動力學過程，就必須能保證樣品有足夠的厚度。當含能粉體達到爆燃狀態時，其產生的光譜（輻射）亮度急劇增加，與低厚度樣品形成鮮明對照。因此，本文的靶裝置實驗結構（圖3）可以觀測炸藥厚度對炸藥熱點生成密度以及成長規律的影響并判斷其是否達到爆轟狀態。

樣品表面產生的光輻射依次通過窗口、光纖探頭進入多通道輻射高溫計，高溫計的測量光譜波長范圍為440～900 nm，在此范圍內設置4～8個通道。將各個波長處輻射強度用普朗克公式進行擬合。根據經典的熱輻射理論，當沖擊粉體表面的溫度均勻一致時，可以用黑體或灰體模型描述表面熱輻射特征，此時光譜亮度與波長之間的關系滿足普朗克公式：

Ipl（λ，T）=ε×C1λ-5［exp（C2/λT）-1］-1（1）

式中：C1和C2為第一和第二輻射系數;λ為波長；T為溫度;ε為灰體平均發射率，其值為小于1的小數，若ε等于1，則屬黑體模型，當ε小于1時，為灰體輻射模型。將實驗中測得的輻射能量Ipl（λ，T）用式（1）擬合，可同時得到一個輻射溫度T和一個平均發射率ε。

當沖擊粉體表面溫度不一致時，則會出現如圖5所示的輻射亮度分布。沖擊粉體本底的輻射亮度為曲線B，為一個均勻的輻射溫度；沖擊粉體熱點輻射的亮度為曲線A，對應的溫度高于B曲線的輻射溫度；與曲線B比較，其輻射絕對值更低；兩個輻射亮度合成后為測量到的輻射亮度曲線C。在曲線A、曲線B對應的溫度相差較大時，如相差1 000 K以上，曲線C很難用公式（1）擬合，同時在某些波長處形成“突兀點”。因此只要測量到類似曲線C的異常輻射亮度，則說明沖擊粉體表面存在明顯的熱點聚集。

在熱點存在的情況下，輻射高溫計測量到的某個（些）波長處的輻射強度與熱點密度成正比，因此準確測試每個波長處的輻射亮度是確定熱點發展的關鍵，也就是熱點發生、發展的動力學過程需要時間解析的實驗輻射亮度測量。

公式（1）適用于具有空間均勻發射率的物體，但由于樣品的尺寸足夠小，DAAF粉體發射率較低，在沖擊發生時，具有較高發射率的熱點分布在較低發射率DAAF背景中，因此可以用平均空間發射率ε的大小來判斷熱點的空間體積占比的大小，以此判斷在相同的沖擊條件下樣品厚度對熱點生成狀態的影響。

2 結果與討論

2.1 沖擊DAAF的輻射強度曲線

圖6是厚度分別為0.150，0.285，0.645 mm的含能材料DAAF在1.6 km/s沖擊速度下測得的位于650 nm波長的光譜輻射亮度?？梢钥吹綀D中有3個波峰，分別對應由薄到厚的3組樣品，3組樣品產生的光譜輻射亮度峰值為A2，B2，C2。實驗顯示輻射亮度隨厚度增加，這是由于在小厚度的樣品中，熱點產生后發展時間短，熱點體積占比較小，其產生的輻射亮度更低，薄樣品在熱點生成后可能存在熄滅現象。在厚樣品中，隨著時間的推移，熱點得以充分發展，并形成聚集現象，最后生成體積占比更大的熱點，對應的光輻射亮度更高。

650 nm波長下樣品厚度隨輻射強度發展關系如表1所示。3組樣品的輻射峰值A2，B2，C2對應的高溫計測量數值分別為0.025，0.044，0.095 mV，因為3組樣品的質量成倍增長，如果熱點發展不充分，輻射最大峰值應當大體一致，而C2峰值超過B2的兩倍。結合Dana［20］的理論，可以認為由于樣品的厚度增加，在最厚的樣品中，熱點的發展超過了臨界值，出現了第二增長階段，一些熱點超過了超臨界狀態。C2輻射強度的異常變化可以解釋為熱點存在陡增階段，最終點燃了樣品3中大部分DAAF粉體，致其產生劇烈反應，導致觀測到的光譜輻射亮度急劇增加，從而在圖6中呈現出C2點的峰值遠超過A2和B2點對應的數值。

2.2 沖擊DAAF粉體的熱點溫度與發射率

將可觀察到的光輻射上升開始時間定義為1 ns，圖7為200 ns時3組樣品的灰體模型擬合曲線。此時沖擊波陣面已完成對3組樣品的沖擊加載，樣品反應相對充分，樣品中熱點的體積占比較大。實驗中計算得到的光譜輻射亮度曲線基本符合灰體模型。

從圖7可以看出，與3組樣品的灰體擬合曲線相比，實驗數據在波長650 nm和670 nm附近出現了突兀點，結合前文理論，該突兀點是由于沖擊DAAF粉體的本底溫度與熱點的溫度不一致，即熱點的輻射亮度較大引起，說明在強沖擊作用下DAAF粉體中產生的熱點比較明顯。

由于本文觀測到的熱點產生的光譜輻射亮度較高，且觀測面積小，可以將此時測量數據擬合的灰體曲線近似為熱點的輻射曲線。圖7顯示，3組樣品的曲線形狀基本一致，說明3組樣品的熱點區域溫度相近，此時3組樣品熱點溫度分別為3 800，3 780，3 900 K。樣品3相比于樣品1的溫度略有提高，這是因為在最厚的樣品中的熱點的體積占比較大，具有高密度熱點樣品的平均溫度較高［22］。

為了探尋熱點的初始生成溫度與充分發展后的溫度的關系，還需選取時間零點附近的發射光譜進行擬合。由于3組樣品的沖擊條件相同，沖擊波進入樣品初期，3組樣品中熱點的發展狀態相似，選取樣品2在沖擊開始階段20 ns時的光譜輻射亮度進行擬合，擬合結果如圖8所示?？梢园l現此時的熱點溫度為3 950 K，與該樣品在200 ns時熱點溫度為3 780 K相比，熱點在初始生成階段溫度較高，在沖擊波卸載后，一些熱點環境壓力降低，造成熱點部分熄滅，該現象與文獻［18］的觀測結論一致。

樣品1在20 ns及200 ns時的發射率及樣品2、樣品3在200 ns時的發射率如圖9所示。

圖9顯示，隨著時間從20 ns發展到200 ns，樣品1的發射率呈現增加態勢，沖擊波進入樣品時熱點的數量和體積較少，隨著沖擊波在樣品中的發展，熱點體積隨時間增加。此外，200 ns時DAAF粉體樣品的發射率隨著樣品厚度的增加而變大，由此推定，在較厚的樣品中，熱點得以充分發展，隨著熱點數量的增加，一些小熱點生長為大熱點，熱點的體積占比增大，反映為圖9中發射率的增加。最厚的樣品3發射率增長量明顯超過前兩組樣品。根據Tzu-Ray等［24］的理論，在一些小熱點熄滅的同時，部分熱點存在聚合現象，維持高溫并形成二次數量飆升，熱點呈指數級增長，在考慮溫度相差不大的情況下，圖9發射率的結果與圖6的輻射強度曲線變化相互印證。在樣品1、樣品2中，大部分熱點來不及發展到第二階段，而樣品3的厚度保證了足夠的熱點時間，從而這些熱點能被高溫計記錄。

3 結論

通過二級輕氣炮在1.6 km/s飛片速度下對含能粉體（DAAF）進行沖擊，通過輻射高溫計觀測同一沖擊條件下不同厚度的DAAF粉體中熱點輻射特征，得出以下結論：

（1）通過分析光譜輻射亮度分布擬合了DAAF粉體的表觀溫度和發射率，擬合結果顯示熱點生成溫度約為3 950 K，并在200 ns的時間尺度內呈現一定的冷卻態勢。

（2）隨著樣品厚度的增加，發射率呈明顯的遞增趨勢，薄樣品中的熱點體積占比相對較小，而厚樣品中的熱點發展更為充分，可能引發聚集-爆燃效應，導致熱點體積占比的提高。

（3）本文提出的氣炮沖擊與輻射測溫相結合的方式是觀測分析含能粉體輻射熱點的生成與發展的一種新方法，所得實驗結果可供含能粉體熱點發展研究參考。

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