压药压力对硅系延期药燃烧性能的影响

陈 昆，韩体飞，金晓艳，王 军，樊广伟

压药压力对硅系延期药燃烧性能的影响

陈 昆1，2，韩体飞1，金晓艳2，王 军1，樊广伟1

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2.阜阳师范学院，安徽 阜阳，236037）

在80~200MPa压药压力范围内，通过测量铅丹-硅质量比为2:1的硅系延期药的燃烧速度和温度，研究压药压力对燃速和温度的影响。结果表明：硅系延期药平均燃速随着压药压力的增大而增大，且呈良好的线性关系；随着压药压力的增大，延期精度呈现先升后降的趋势，压药压力约为170MPa时延期精度达到最佳；在测量误差范围内，燃烧温度随压药压力的变化具有一定的波动性。

硅系延期药；压药压力；燃烧速度；燃烧温度

随着现代爆破技术的发展，在爆破工程中大区微差爆破、大区逐孔微差爆破和城市控制爆破等技术得到广泛应用，为达到工程设计的预期效果，需要高精度的延期元件来控制雷管的延期时间。目前延期药技术具有构造简单、易于制作、原材料来源广泛和生产成本低等优点，在航天、武器系统和各项爆破工程中仍然被大量使用[1]。在众多延期药的配方中，以Pb3O4和Si为基础配方的硅系延期药具有易点燃、燃速快、价格低等优点。但经过长时间储存后，硅系延期药的延期时间容易发生漂移，甚至会出现串段、瞎火的现象，以致严重影响延期雷管的性能和在工程爆破中的作用效果[2-3]。为了更好地改善延期药储存性能，需要对其燃烧速度和温度参数进行研究，通过分析反应机理，进而提高延期药延期精度和储存稳定性。

宋薇娜[4]使用R型热电偶测量了硅系延期药的燃烧温度；刘晓文和黄麟[5]使用红外法测量了毫秒三段和毫秒五段硅系延期药燃烧温度；朱帅等[6]采用光电法对Pb3O4∶si=6∶4的硅系延期药的延期时间与压药压力的关系进行研究，结果显示随着压药压力的增大，燃烧时间缩短，燃速增大；韩体飞等[7]采用高速摄像技术记录了毫秒四段硅系延期药燃烧传播动态特性，并计算得到了药柱燃烧传播瞬时速度。

本文以质量比为2:1的铅丹-硅系延期药配方为基础[8]，通过改变压药压力，利用光电法测量硅系延期药的燃烧速度，鉴于有关压药压力与延期药燃烧速度和温度关系的研究尚未见报道，利用R型热电偶测量其燃烧温度，揭示压药压力与燃烧速度和温度的关系，研究延期药燃烧特性。

1 实验部分

1.1 药剂组成及制备

硅粉，纯度99.9%，粒径4μm，济南天琴硅业有限公司；四氧化三铅，AR级，含量≥95.0%，国药集团化学试剂有限公司。将原料按质量比分别称量，加入适量无水乙醇（AR级，≥99.7%，国药集团化学试剂有限公司），将球磨机转速设置为180r·min-1，混合240min后晾干，放入干燥箱中，60℃条件下干燥6h，取出研磨过80目筛，密封保存。

1.2 测试设备与模具

测速设备：美国力科HDO4034示波器，光敏二极管，测速压药模具。

测温设备：日本图技GL900-8高速数据记录仪，0.05mm R型热电偶，测温压药模具。

测速压药模具结构如图1所示。图1（a）中，空心长方体结构外部长宽高为60mm×34mm×30mm，空心部分长宽高为30mm×4mm×30mm，用于装填延期药；2mm直径圆孔贯穿模具，两孔间距离20mm，并在圆孔中镶嵌透明玻璃，便于透光且避免了圆孔处压药不均；直径为3mm的圆孔用于放入导爆管；2mm和3 mm的圆孔中心位置在同一平面，距离模具底部10mm；图1（c）中长方体结构承重台的长宽高为60mm×34mm×15mm，凸台位于承重台中间位置，长宽高为30mm×4mm×22mm，将承重台和凸台高度改为8mm即是实验所使用的模垫；测温压药模具与测速压药模具结构相似，不同点是将2mm圆孔直径由2mm改为1mm，且无需镶嵌透明玻璃。

图1 测速压药模具结构图

1.3 测试方法

1.3.1 燃速测试

称取定量药剂，一次性放入测速压药模具中，在设定的压力下恒压保持120s至药柱成型。将光敏二极管固定在图1（a）所示的两孔处，并将输出信号端连接示波器，操作仪器，引燃药剂，记录数据。实验中采用了80MPa、120MPa、160MPa和200MPa 4种水平压药压力，每种水平压力下进行20组平行实验。

1.3.2 温度测试

称取定量药剂，放入测温压药模具中，在设定压力下保持60s至药柱成型，取出压药冲头，然后使用钻头从图1（a）所示的2mm小孔中钻出多余药剂并插入热电偶，之后放入等量药剂，缓慢加压至同等压力，稳定60s，将热电偶两极与高速数据记录仪连接，操作仪器，引燃药剂，记录数据。实验中采用了80 MPa、120MPa、160MPa和200MPa 4种水平压药压力，每种水平压力下进行20组平行实验。

2 结果及分析

2.1 压药压力对燃烧速度的影响

根据示波器读出的测量孔20mm间距的燃烧时间，计算出燃烧速度，从而获得各压力条件下的平均燃烧时间、平均燃速、燃速极差和燃速标准差，结果如表1所示。

从表1中可以看出，在80~200MPa压药压力范围内，随着压药压力的增加，硅系延期药平均燃烧时间逐渐缩短，平均燃速逐渐增大，燃速极差和燃速标准差在压药压力的影响下也有明显下降趋势。

表1 不同压药压力下的燃速计算结果

Tab.1 Calculation results of burning velocity under different loading pressures

图2为硅系延期药压药压力与平均燃烧速度关系图，从中可以看出压药压力在80~200MPa范围内，硅系延期药平均燃烧速度随着压药压力的增大呈线性上升趋势，线性拟合得出方程= 286.6+1.55(2= 0.989 2)，其中表示燃烧速度，m/s；表示压药压力，Pa。结果分析如下：（1）压药压力的增加导致了可燃剂颗粒破裂，增大了颗粒的比表面积，Pb3O4与Si接触更充分，从而加剧了药剂的燃烧；（2）压药压力的增加会导致药柱的密度增大，导热率增大，单位时间内传热量增加，热分解释放的能量增加，热传递效率增大，引燃下一层药剂，从而缩短下一层药剂的预点火时间；（3）压药压力的增加导致药剂孔隙率降低，燃烧气体产物向未反应区扩散量减小，导致反应区气体累积，压力迅速增大，反应速率增大，燃烧速度加快。

图2 硅系延期药压药压力与平均燃烧速度的关系

图3为硅系延期药压药压力与燃速标准差的关系图，其中燃速标准差代表各压力条件下延期药延期精度情况，数值越小表示延期精度越高。由图3可知，在80~200MPa范围内，随着压药压力的增大，延期精度呈现出先升后降的趋势，压药压力约为170MPa时延期精度达到最佳。这是因为药剂组分配比、粒度、表面状态和密度等因素都会影响到延期药的燃烧效果，在80~170MPa条件下，随着压力的增大，延期药颗粒间接触更为紧密，孔隙率下降，导热性提高，燃烧趋于稳定，燃速标准差下降；但随着压药压力的进一步增大，硅系延期药燃烧产生的微量气体不能及时排出，造成燃烧面两侧压力不平衡，影响到其稳定燃烧，导致出现燃速波动、燃速标准差增大的现象。

图3 硅系延期药压药压力与燃速标准差的关系

2.2 压药压力对燃烧温度的影响

由于实验中燃烧温度随时间变化相似，任取1组数据，获得如图4所示的燃烧温度——时间曲线，取峰值温度作为实验温度值。

图4 硅系延期药燃烧温度随时间的变化

从图4中可以看出，当燃烧区域逐渐靠近测温点时，随着燃烧反应的进行，短期内释放大量能量，温度迅速增大，同时由于测温热电偶具有一定的时间响应，测温曲线经过一定的响应时间到达峰值。当该反应趋于完全后，热量缓慢散失，温度逐渐降至室温，降温速率小于升温速率。

计算各压力条件下的平均燃烧温度、温度极差和温度标准差，结果如表2所示。

表2 不同压药压力下温度的计算结果

Tab.2 Calculation results of combustion temperature under different loading pressures

从表2中可以看出，在80~200MPa压药压力范围内，不同压药压力下的平均燃烧温度存在波动，平均温度最大差距为32.6℃，在200MPa压药压力条件下，温度极差和标准差数值相对较低，温度变化更为稳定。

图5 不同压药压力下硅系延期药燃烧温度标准差

图5为不同压药压力下硅系延期药燃烧温度标准差，从图5中可以看出，在80~200MPa的压药压力范围内，燃烧温度随着压药压力的变化具有一定的波动性，原因分析如下：（1）本文所采用的硅系延期药配方为负氧平衡，压药压力的增大导致药剂孔隙率下降，药剂与空气中的氧化剂接触难度增大，致使反应率降低，产热量下降；（2）随着压药压力的增大，在单位体积内硅粉质量增加，未参与反应的硅粉会增大反应热的消耗量；（3）随着压药压力的增大，硅系延期药燃烧速度增大，药剂在燃烧过程中向外部环境散失的热量减少；（4）随着压药压力的增大，反应过程中产生的少量气体难于排出，对铅丹分解反应存在一定的抑制作用，故影响整体燃烧反应。

3 结论

通过对硅系延期药的燃烧速度和燃烧温度测试研究，获得如下结论：

（1）在80~200MPa的压药压力范围内，硅系延期药的燃烧速度与压药压力有良好的线性关系，获得拟合线性曲线=286.6+1.55(2= 0.989 2)。

（2）在80~200MPa的压药压力范围内，随着压药压力的增大，延期精度呈现出先升后降的趋势，在170MPa压药压力附近延期精度达到最佳。

（3）在80~200MPa的压药压力范围内，燃烧温度随压药压药的变化具有一定的波动性。

针对硅系延期药燃烧速度快、燃烧温度高的特点，对其燃烧温度的测试以及燃烧温度与其延期性能参数之间的关系，需待进一步研究。

[1] 吴幼成,宋敬埔.延期药技术综述[J].爆破器材, 2010,29(2): 23-27,39.

[2] 张涵, 颜事龙, 吴红波. 硅系延期药储存后延期精度的影响因素[J].火工品, 2014(2):37-40.

[3] 王志新, 李国新, 劳允亮, 等. 硅系延期药贮存与硅粉表面稳定性研究[J]. 含能材料, 2005,13(3): 158-161,172.

[4] 宋薇娜. 热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究[J]. 爆破器材, 2013,42(2): 41-43.

[5] 刘晓文, 黄麟. 利用红外测温法测量延期药的燃烧温度[J]. 矿冶, 2013,22(3): 36-38

[6] 朱帅,刘锋,张彦,等. 压药压力对硅系延期药燃速影响的试验研究[J]. 爆破器材, 2017,46(2):51-54.

[7] 韩体飞,颜事龙,陈磊,等.铅丹-硅系延期药柱的燃烧传播特性[J].火工品, 20015(4):25-29.

[8] 王惠娥,沈瑞琪,杜江媛.毫秒级硅系延期药的研究[J].煤矿爆破, 2010(1): 1-3.

Influences of Loading Pressure on the Combustion Performance of Si-type Delay Composition

CHEN Kun1,2, HAN Ti-fei1, JIN Xiao-yan2, WANG Jun1, FAN Guang-wei1

(1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001；2. Fuyang Normal University, Fuyang, 236037)

The influences of loading pressure on the burning velocity and combustion temperature of Si type delay composition, which mass ratio of Pb3O4to Si is 2∶1，were studied in the range of 80~200MPa loading pressure. The results show that, as loading pressure increasing, the average burning velocity of the delay composition had a positive linear relationship to the loading pressure, the delay accuracy gradually increased at the beginning, reached the best at 170MPa and then decreased, the combustion temperature within the errors had a slight fluctuation with the change of the loading pressure.

Si-type delay composition；Loading pressure；Burning velocity；Combustion temperature

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.013

1003-1480（2019）03-0051-04

2019-03-29

陈昆（1995-），男，硕士研究生，从事民用爆破器材研究。

国家自然科学基金青年科学基金(51604009和11505002)；安徽理工大学科研启动基金(11130和ZX949)。