Zr基非晶合金燃烧热测试方法

2019-09-02尚春明施冬梅李文钊石永相徐雪涛

兵器装备工程学报 2019年8期

尚春明，施冬梅，李文钊，石永相，徐雪涛

(1.陆军工程大学石家庄校区弹药工程系，石家庄 050003;2.西北核技术研究所，西安 710000)

Zr基非晶合金具有高强度、高硬度、高弹性、高韧性的力学性能[1]，以及自锐性、含能性等独特的材料特性[2-3]，在穿甲弹芯、含能破片和药型罩上具有很好的应用前景[4-7]。当前Zr基非晶合金的能量特性研究主要集中在高动态加载下的动态释能特性：潘念桥[8]研究了Zr基非晶合金块体撞击不同厚度薄靶的释能效应；陈曦、Wang等[9-10]采用准静态密闭容器方法研究了Zr基非晶合金块体的冲击释能特性；张云峰等[11]研究了Zr基非晶合金块体在动态压缩下的释能机理；Huang等[12]研究了Zr基非晶合金破片对钢板的侵彻和释能毁伤效应；上述研究表明，Zr基非晶合金块体在高动态加载下会发生释能反应，冲击释放的能量可以达到1.8 kJ/g，而且释能反应的程度与冲击速度、靶板厚度有关。同时可以看到有关Zr基非晶合金静态的燃烧释能特性还少有公开文献报道，对其所蕴含的化学潜能仍未有准确的认识。

为此，本研究借鉴火炸药燃烧热测定方法——氧弹量热实验方法，着重研究了坩埚材料、助燃剂、氧弹压力等实验条件对Zr基非晶合金的燃烧影响，并分析了燃烧产物的物相组成，为Zr基非晶合金化学潜能的分析奠定了实验基础。

1 实验

1.1 实验仪器及样品

QZLRY-2002D型恒温式全自动微机量热仪，感温元件为BA2/PT100铂电阻，温度测量分辨率为0.000 1 K；鹤壁RL系列充氧式氧弹和充氧仪；称量天平，精确度为0.1 mg；Empyrean型X射线衍射仪，扫描角度10°～100°。

Zr基非晶合金箔带，原子百分比为Zr66Cu24Al10，由中国科学院金属研究所制备，单次实验的试样质量约为0.250 0 g。为方便将试样放入坩埚中进行实验，将箔带剪成长度为1～2 cm左右的条状，处理前后的试样如图1所示。

图1 Zr基非晶合金箔带

1.2 实验原理

试样在氧弹中燃烧，释放的热量使量热仪的内筒水温升高，根据温升值和量热仪的热容量、冷却校正值，并对点火热、助燃剂的放热量进行校正，求得样品的燃烧热值，计算公式为：

(1)

式中：Q为样品的燃烧热(J/g)；E为量热仪的热容量，表示量热仪系统升温1 K所需要的热量(J/K)；C为冷却校正值，恒温式量热仪实验过程中内筒与外筒之间始终在发生热交换，采用该值进行校正(K)；m1为样品的质量(g)；t0、tn为内筒水的初始温度、终止温度(K)；q1、q2为点火热、助燃剂的放热量(J)。

由式(1)可知系统的热容量关系着燃烧热测试结果的准确与否，因此在进行燃烧热测试前或者仪器设备发生变化时，应先对仪器热容量进行标定，一般采用苯甲酸作为标准量热物质，热容量计算公式如下：

(2)

式中：m2为苯甲酸的质量(g)；量热标准物质苯甲酸的燃烧热值为26 470 J/g；其余参数含义同式(1)。

本研究的热容量的标定和燃烧热的测试均参照GJB 770B—2005火炸药试验方法和GB/T 213—2008煤的发热量测定方法进行。

2 结果与讨论

2.1 坩埚材料的影响

Zr基非晶合金的组成元素均为金属元素，燃烧温度高，释放能量多，致使盛放试样的不锈钢坩埚被烧蚀。图2是实验中被烧蚀的不锈钢坩埚，可以看到，坩埚的底部已经被烧穿，部分燃烧产物附着在坩埚上，难以回收和分析，而且坩埚的烧蚀释放了额外的热量，导致测量的燃烧热值不准确，所以在Zr基非晶合金箔带的燃烧热测试实验中，坩埚材料应具有耐高温、耐烧蚀、热导率低的特性。

图2 不锈钢坩埚的实验情况

在高能推进剂燃烧热测试实验中，Al2O3陶瓷坩埚、金属钨坩埚被证实耐高温、耐烧蚀[13]，因此，选用上述两种坩埚进行了Zr基非晶合金箔带的燃烧实验研究。图3是Al2O3陶瓷坩埚的实验情况，由图可见，试样燃烧结束后，坩埚底部和侧面均产生了裂纹，而且燃烧产物附着在内壁上，难以回收。

图3 Al2O3陶瓷坩埚的实验情况

图4是钨坩埚的实验情况，由于钨的导热系数大，热散失快，所以在坩埚底部铺垫保温物质酸洗石棉，如图4(a)，使坩埚内部形成和维持高温的环境，加大试样的燃烧反应程度，添加酸洗石棉与否测得的Zr基非晶合金燃烧热分别为7.6 kJ/g和6.5 kJ/g，说明酸洗石棉起到了很好的隔热作用；由图4(b)可见，箔带在铺垫酸洗石棉的钨坩埚中燃烧情况较好，坩埚没有损坏，而且燃烧产物可回收。综上所述，在Zr基非晶合金箔带的燃烧热测试中，选取底部铺垫酸洗石棉的钨坩埚作为燃烧容器。

图4 钨坩埚的实验情况

2.2 助燃剂的影响

Zr基非晶合金箔带的燃烧需要足够的热量维持，当热散失过快，会存在燃烧不充分的问题，而且燃烧实验中可能会发生部分箔带熔融、团聚的现象，所以引入助燃剂，研究了其对Zr基非晶合金箔带燃烧过程的影响。助燃剂分别选取标准量热物质苯甲酸、火药燃烧热测试标准药方片60，首先测得方片60标准药在富氧条件下的燃烧热值为9.216 kJ/g，Zr基非晶合金箔带在助燃剂下的燃烧热测试结果如表1所示，方片60的放置方式如图5所示。

图5 助燃剂方片60的放置方式

根据表1中实验1、2、3可知，与不添加助燃剂相比，当Zr基非晶合金箔带添加助燃剂且如图5(a)混合均匀时，测定的燃烧热大幅度下降，这是因为助燃剂与箔带混合程度较高，助燃剂燃烧释放的气体将箔带“吹拂”至坩埚外，使其失去高温的环境[14]，导致部分箔带燃烧不充分，图6(a)是坩埚支架的整体图，试样距坩埚支架的上壁距离大约为5cm，图6(b)可以看到未燃烧充分的箔带和燃烧产物被“吹拂”至坩埚支架的上壁，从燃烧热值来看，苯甲酸对非晶箔带的“吹拂”影响程度更高；更改助燃剂的放置方式，如图5(b)所示，将方片60标准药放置于箔带上方，对比实验1和4，测定的Zr基非晶合金燃烧热有了大幅度提高，助燃剂放置于箔带上方有效减小了气体“吹拂”的影响，而且方片60的加入为箔带的燃烧提供了更多热量，加大了燃烧反应的程度。

实验4、5、6、7对助燃剂方片60与试样比例进行了研究，不同比例下Zr基非晶合金燃烧热的变化如图7所示，由图可知，随着方片60增加，试样的燃烧热提高，当方片60与箔带的质量比为1∶1时，Zr基非晶合金箔带具有最高的燃烧热；当方片60质量继续增大时，燃烧热值降低，这是因为气体的生成速度和生成量加大，即使助燃剂放置于箔带上方，生成的气体也会对箔带产生“吹拂”影响。

表1 不同助燃剂、放置方式、添加量下的燃烧热测试结果

图6 助燃剂混合实验后的坩埚支架

图7 试样燃烧热随方片60添加量的变化曲线

2.3 充氧压力的影响

选用方片60标准药作为助燃剂，与Zr基非晶合金箔带的质量比为1∶1，并放置于箔带上方，在氧弹安全充氧压力[15]的前提下，不同充氧压力下的燃烧热测试实验结果如图8所示。

图8 试样燃烧热随充氧压力的变化曲线

由图8可知，随着充氧压力增大，试样燃烧热增大，当充氧压力在2.0MPa时，燃烧热达到最大值，随着充氧压力继续增大，试样燃烧热减小，分析认为氧弹中氧气压力的增大，一方面加速了方片60的燃烧速度，使其助燃时间减短，另一方面，过量的氧气会吸收试样燃烧释放的热量，减小了用于加热试样的能量；当充氧压力较小时，Zr基非晶合金箔带与氧气的接触程度降低[16]，致使试样的燃烧反应程度降低。